Laboratoire de géomorphologie et de sédimentologie (LGS)

Parmi les opérations de laboratoire, l’analyse granulométrique est de loin la plus effectuée. Elle peut être réalisée selon 3 différentes approches basées sur des principes physiques bien établis en sédimentologie. Voici les approches utilisées au laboratoire :

Par tamisage

La méthode consiste à introduire le sédiment désagrégé dans le tamis supérieur d’une colonne de tamisage. L’ouverture des mailles des tamis est d’ordre croissant du bas vers le haute de la colonne.  L’agitation de la colonne de tamisage favorise le déplacement des grains vers le bas jusqu’à ce que le sédiment soit piégé dans le tamis dont l’ouverture des mailles est inférieure à la taille nominale des particules. L’éventail des tamis disponibles au LSG couvre un spectre de tailles variant entre 45µm et 16000 µm, à  intervalle correspondant au quart de phi, ce qui est conforme aux différentes normes ISO et ASTM. Le tamisage est possible soit en mode sec soit en mode humide (tamis en laiton et en acier inoxydable). Les accessoires essentiels aux opérations tel l’agitateur de tamis (Ro-Tap et le Shaker rotatif) et la balance de précision sont disponibles au LGS. Cette méthode  n’est appropriée que pour les fractions de sédiment supérieures à 63µm. 

Par décantation dans un fluide

L’analyse granulométrique d’un sédiment par décantation fait appel à la loi de Stokes (Krumbein & Pettijohn, 1938). Elle se base sur le fait que la vélocité d’une particule dans un fluide dépend principalement de sa taille ainsi que de la densité et de la viscosité du liquide dans laquelle elle se déplace. D’autres paramètres influencent, mais dans une moindre mesure, la vitesse de chute de la particule, soit la densité de la particule, sa forme et l’aspect de la surface. Les méthodes d’analyse qui se basent sur ce principe sont aussi couramment utilisées au LGS, soit la pipette, l’hydromètre et le Sédigraph aux rayons X (Micromeritics). L’application du principe de Stokes se limite cependant, aux particules dont le diamètre est inférieur à 63 µm. Bien que le résultat obtenu (diamètre équivalent de Stokes) soit généralement précis, l’analyse peut être longue à réaliser. 

Par diffraction du laser

L’analyse de la granulométrie des sédiments par diffraction du laser (diffraction de Mie et de Fraunhofer) se base sur le principe que les particules d’une taille donnée diffractent le laser dans un angle qui est inversement proportionnel à leur taille (McCave & Syvitski, 1991). L’analyse est plus rapide que pour les méthodes précédentes et les résultats sont plus précis. Deux appareils fonctionnent selon ce principe au laboratoire, soit le Compteur de particule Spectrex, basé sur les approximations de Fraunhofer et le Granulomètre au laser Horiba, basé sur les équations de Mie. Le premier permet l’analyse des sédiments dont les particules ont un diamètre se situant entre 7 et 100 µm, le second permet l’analyse d’un éventail plus large, soit la mesure des diamètres compris entre 0,01 et 3000 µm. La méthode répond aux exigences ISO et ASTM, normalisant l’utilisation de la diffraction du laser pour l’analyse granulométrique des sédiments.

Minéraux lourds

L’analyse minéralogique a pour but d’identifier les espèces minérales et le niveau d’altération des minéraux afin de connaître l’origine des sédiments et de déduire les conditions de mise en place. Elle est effectuée à l’aide d’un microscope à lumière polarisée. Au préalable, les minéraux communs (quartz, feldspath, etc.) sont séparés des minéraux lourds par flottaison à l’aide du bromoforme. Les minéraux lourds tels le zircon, le sphène et le grenat sont ensuite fractionnés en fonction de leur degré de magnétisme à l’aide d’un séparateur magnétique (Frantz). Certains des équipements évoqués ici ne sont pas disponibles au LGS mais sont accessibles par l’entremise d’ententes inter-laboratoires obtenues pour le bénéfice des utilisateurs notre laboratoire. 

Minéraux argileux

Pour ce qui est des argiles, l’analyse sur poudre sédiment fin complet ou lames orientées (seuls les phyllosilicates) est effectuée au laboratoire de diffraction X du Département de géologie. Les premières étapes des prétraitements peuvent cependant être réalisées au LGS. En effet, le protocole complet de préparation des échantillons et le matériel nécessaire sont disponibles au laboratoire et la technique est connue du personnel du laboratoire. 

L’étude de la morphoscopie (état d’usure) et de l’exoscopie (aspect des surfaces) des quartz permet de connaître les facteurs de transport (glacier, eau, vent) et de déduire les environnements sédimentaires dans lesquels les particules ont évolué. Le laboratoire est doté d’équipements nécessaires à la séparation (sous-échantillonnage), le nettoyage et l’analyse des échantillons. La morphoscopie s’effectue généralement sur la fraction granulométrique d’environ 250-355µm, sous une loupe binoculaire à grossissements de 6X, 16X et 40X. Pour l’exoscopie des quartz, l’échantillon est monté sur un plot au LGS et analysé ensuite au microscope électronique à balayage (MEB) du Microlab du Département de géologie. 

Bien que les analyses sont faites dans d’autres laboratoires connexes au LGS, l’utilisateur peut bénéficier de l’expertise du personnel du LGS tant lors des traitements des échantillons que lors des analyses et l’interprétation des données. 

Le dosage de la teneur en eau peut être connu selon deux procédés au LGS. Un par séjour à l’étuve, l’autre par utilisation d’une balance à chauffage infra-rouge.
 
Procédé à l’étuve

Le sédiment humide est pesé et mis à l’étuve pour une période de 24 heures à une température de 105°C ± 5°C. Le matériel sec est pesé à nouveau. Le rapport entre le poids de l’eau retiré et le poids de l’échantillon sec permet d’obtenir le taux d’humidité d’un sédiment ou d’un sol.

Voici la façon dont le calcul est effectué :
Teneur en eau = (Poids de l’échantillon humide- poids de l’échantillon sec) / poids de l’échantillon sec.

Exemple :  
Échantillon humide  248,4g
Échantillon sec  234,5g
Différence  13,9g
Donc teneur en eau = 6,1g /234,5g = 0,059 ou 5,9%<

Procédé par balance à chauffage infra-rouge

Le sédiment humide est introduit dans le dispositif, la hauteur de la lampe et la température sont ajustées. La teneur en eau peut être calculée lorsque le poids de l’échantillon se stabilise.
Le dosage de la matière organique se fait aussi en fonction de la différence entre poids brut de l’échantillon et celui de l’échantillon dont la matière organique a été retirée.

Il se calcule ainsi :
% de Matière organique = (poids de l’échantillon brut avec MO – poids de l’échantillon sans MO) / Poids de l’échantillon sans MO

Exemple :  
Échantillon brut avec MO  234,5g
Échantillon sans MO  228,4g
Différence  6,1g
Donc %MO = 6,1g  / 228,4g = 0,026 ou 2,6% 

Les analyses suivantes peuvent être réalisées au laboratoire LGS :

• pH (Hanna instruments, Fischer Scientific et Kelway)
• Humidité du sol (Kelway et Moisture balance CENCO)
• Salinité, Conductivité (salinimètre Yellow Springs Inc.)
• Calcimétrie (avec le Calcimètre Bernard)
• Limite de liquidité (Coupole de Cassagrande)

L’analyse d’autres propriétés physicochimiques peuvent être effectuées au laboratoire de chimie des sols du Département de sol et de génie agro-alimentaire et Département du bois et de la forêt.