Minéraux et roches (HLST302)

Transcription

1 Licence 2 Sciences de la Terre Minéraux et roches (HLST302) Planning de l UE Cours : - 10/09, 17/09, 15/09: Minéralogie 2*3h (Benoit Gibert) - 24/09 et 25/10 : Roches magmatiques 2*1,5h (Fleurice Parat) - 02/10: Roches métamorphiques 3h (Benédicte Cenki-Tok). 8 séances de TP (lundi et mardi) : Semaines du 14/09 et 21/09: 2 séances par semaines : TP de minéralogie. Lundi 05 octobre : contrôle de minéralogie (TP et cours) Semaines du 28/09 et du 05/10 : TP roches magmatiques A fixer : contrôle roches magmatiques Semaines du 12/10 et 01/11 : TP roches métamorphiques A fixer: contrôle roches métamorphiques 2 sorties sur le terrain : - Volcanisme de la basse vallée de l Hérault (Saint Thibéry cap d Agde) : Vendredi 23 octobre. RDV 8h30 à l entrée de l Université. - Métamorphisme des Cévennes : les vendredi 6 et 13 Novembre (en demi-groupe)- RDV 8h30 à l entrée de l Université. Toutes ces informations sont disponibles sur l espace pédagogique. 1

2 Première partie : Minéralogie (B. Gibert) Cours 1 : introduction Définition d un minéral, d une roche, des roches sédimentaires, magmatiques et métamorphiques (rappels). Importance des minéraux et roches en Géosciences : Les roches et minéraux sont des objets : - indispensables pour comprendre la formation et l évolution de la Terre. - qui «contiennent» des ressources importantes : éléments chimiques - qui «accueillent» des ressources : eau, gaz, pétrole Les minéraux : des entités bien définies sur le plan géométrique et chimique. Cours 2 : les minéraux silicatés, composants essentiels de la Terre. TP1 : Reconnaissance «macroscopiques» des minéraux. Caractériser une roche (lui donner un nom, savoir comment elle s est formée, évaluer ses propriétés et sa composition chimique) passe nécessairement par la caractérisation des minéraux qui la contiennent. Pour cela, nous allons voir les différents critères de reconnaissance et caractériser les minéraux essentiels présents dans les roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires. Travail sur les critères de reconnaissance. Origine, formation et morphologie des minéraux automorphes: les systèmes cristallins. Travail sur modèles en bois. TP2 : suite TP1. TP3 et 4 : travail en autonomie sur les échantillons. Présentation et discussion de quelques modèles atomiques de cristaux importants en sciences de la Terre. Contrôle continu : travail de caractérisation de 4 minéraux et question de cours. 2

3 Propriétés macroscopiques des minéraux. Les critères de reconnaissance des minéraux sont basés sur les propriétés des minéraux observables à l œil nu (échelle «macroscopique»). Ces propriétés ne dépendent que des 2 aspects fondamentaux des minéraux: leur composition chimique et leur cristallographie. Ces propriétés macroscopiques résultent donc d un comportement à l échelle de l atome! Voici les propriétés principales utilisées pour une détermination à l œil nu: - la morphologie (croissance, macles, clivages) - les propriétés mécaniques (dureté, clivages) - les propriétés optiques (couleur, éclat) I) La morphologie Elle s étudie sur les minéraux automorphes, c est-à-dire les minéraux dont les faces cristallines sont bien exprimées (faces planes bien visibles et nombreuses). L arrangement relatif de ces faces dans l espace est alors représentatif de la symétrie des arrangements des atomes dans l espace, qui sont très variables suivant les minéraux. La morphologie peut donc constituer pour ces minéraux un critère de reconnaissance. Dans le cas des minéraux xénomorphes, le cristal s est développé, mais en étant contraint par son environnement direct (autres minéraux par exemple). Ses formes ne sont pas représentatives de son caractère intrinsèque, mais de son environnement. Il est donc inutile de les étudie I.1 Morphologie: polyèdre associée à la croissance cristalline : Morphologie de croissance Lorsque les cristaux grandissent librement sans véritables contraintes (dans un fluide par exemple), la croissance se fait par dépôts successifs d atomes sur des plans atomiques préférentiels. L état final correspond à un solide délimité par des faces planes, un cristal automorphe. La morphologie des cristaux est plus ou moins typique d un minéral selon la vitesse de croissance relative des faces les unes par rapport aux autres. La vitesse de croissance des faces est une propriété à priori anisotrope pour de nombreux cristaux. Ce processus est complexe et dépend aussi des conditions de cristallisation (vitesse de refroidissement du fluide, gradients thermiques, etc ). Exemple de morphologie de cristaux automorphes. Des cristaux différents présenteront des morphologies plus ou moins typiques. 3

4 Forme isométrique: cas des cristaux cubiques (isotropes): les faces croissent toutes à la même vitesse! Cubes de fluorine Grenat (Rhombododécaèdre) I.2) Morphologie de clivage La morphologie peut aussi être le résultat de la formation de plans de cassures préférentiels, les clivages, typiquement observables lorsque le minéral s est cassé lors de son extraction. Les clivages sont associés directement à l arrangement des atomes dans l espace et aux liaisons chimiques (voir cours). Deux plans atomiques faiblement liés entre eux, soit parce qu ils sont très distants l un de l autre, soit parce que les atomes qui les constituent sont faiblement liés entre eux, vont former ces clivages. Suivant le nombre et la géométrie des clivages, la forme du solide pourra être caractéristique d un minéral. Exemple de morphologie de cristaux résultants de plans de clivage. De gauche à droite : 3 clivages parallèles aux faces du cube (ex. halite), 8 clivages parallèles aux faces octaédriques d un cube (ex. :fluorine), un plan de clivage (ex. :micas) et enfin 3 plans de clivage parallèles aux faces rhomboédriques (ex. : calcite). Clivage des phyllosilicates. Les plans atomiques parallèles aux «feuillets» sont très faiblement liés entre eux et cassent plus facilement (à gauche, biotite, à droite, muscovite). 4

5 La calcite comporte 3 plans de clivage: les plans se dessinent à l intérieur du cristal: le rhomboèdre de clivage est visible et les faces du cristal sont parallèles à ces plans de clivage. Cas particulier : absence de clivage : aucune direction de cassure privilégiée Cassure conchoïdale (en cupules) caractéristique des minéraux qui ne présentent pas de clivages : Quartz, du verre, olivine Forme arrondie associée à la propagation d une onde de choc provoqué par le coup de marteau! I.3 Morphologie et systèmes cristallins Considérons la face d un cristal qui a une vitesse de croissance élevée (ou se casse facilement): toutes les faces qui lui sont symétriques auront exactement la même propriété par les éléments de symétrie du système cristallin auquel appartient le minéral. Toutes ces faces symétriques apparaîtront donc suivant une orientation similaire dans l espace (mais attention, pas forcément avec la même taille). En observant les faces de croissance (ou de clivage) de forme similaire d un cristal, on peut déduire les opérations de symétrie et donc déduire le système cristallin. > D après la morphologie du cristal, on peut déduire ses éléments de symétrie et en déduire son système cristallin: c est un excellent critère de reconnaissance! Exercices sur les modèles en bois et cristaux naturels automorphes: trouver les éléments de symétrie et les systèmes cristallins correspondants Remarque : un même minéral, lorsqu il est automorphe, peut présenter soit ses morphologies de croissance, soit ses morphologies de clivage, soit une combinaison des deux. Par exemple, la fluorine a tendance à croître sous formes de cubes et à se cliver suivant les faces octaédriques de ce cube (voir échantillons de TP). 5

6 I.4 Les mâcles Macle : imbrication intime de 2 ou de n individus de la même espèce dès les premiers stades de la germination et de la croissance cristalline. Résultat : il existe des minéraux composites imbriqués avec des angles aigus jusqu à 90 d accolement. Exemple de mâcles caractéristiques : de gauche à droite : gypse, orthose, staurotide. 1.5 Groupements de cristaux: espèces de cristaux rarement isolés Les cristaux apparaissent très souvent en amas polycristallins, dont l arrangement donne aussi lieu à des spécificités suivant le type de minéral concerné. Un minéral donné peut donner lieu à plusieurs types d agrégats (exemple du gypse, qui peut se trouver sous forme de monocristal, mais aussi sous forme d agrégats granulaire, fibreux, etc ). Concrétion - pisolite: cristallisation se développant autour d un noyau (cristal, particule détritique, biologique). 6

7 II. Propriétés mécaniques II.1)Clivage: voir I) II.2) Dureté: dépend de la cohésion du matériau. Elle dépend donc directement des liaisons entre les atomes, du type d atome (composition chimique) et des distances entre les atomes (cristallographie). Il existe une échelle empirique de dureté permettant de réaliser facilement des tests de détermination de dureté. Dureté Minéral 1 Talc 2 Gypse 2,5 Ongle 3 Calcite 4 Fluorine 5 Apatite 5,5 Acier 6 Orthose 6,5 Verre 7 Quartz 8 Topaze 9 Corindon 10 Diamant II.3 Densité La densité d un minéral est le rapport entre sa masse volumique (en kg.m -3 ) et la masse volumique d un fluide de référence sous les mêmes conditions (ici l eau sous conditions ambiantes). La densité dépend de la composition chimique au premier ordre (la masse molaire des atomes constitutifs des minéraux sont très variables). Exemple de la halite (NaCl) et de la galène (PbS). La densité dépend également de l arrangement des atomes dans l espace. Pour une même composition chimique, la densité dépend aussi de l arrangement plus ou moins compact des atomes dans la structure cristalline. d=3,6 d=3,25 d=3,25 Exemple:polymorphes des silicates d alumine. Ils ont la même composition chimique, mais l arrangement des atomes dans ces 3 espèces sont différentes, elles engendrent des différence de densité. La densité peut s évaluer «à la main», mais elle ne permet dans ce cas que d apprécier les très fortes ou très faibles densités (<2,5 et >4). Concernant les silicates, qui sont tous composés d un squelette d atomes de silice et d oxygène, la densité n est pas un bon critère pour les discriminer (elle varie en général entre 2,65 (quartz) et 4 (grenats)). 7

8 III. Propriétés optiques Elles sont associées à l absorption et à la réflexion du rayonnement que nous percevons (le rayonnement «visible») par le cristal. 3.1 La couleur Mécanisme: absorption par des transitions électroniques de certaines longueurs d onde du spectre visible. Certains éléments chimiques (surtout les éléments dit de transition) présentent des configurations électroniques qui favorisent de nombreuses transitions dans le spectre visible). Émeraude vert Rubis Sensibilité de l œil dans le visible. roug ver bleu Exemple de l absorption par des ions Cr 3+ Origine de la couleur: la composition chimique a) Eléments chimiques «chromatophores» responsables de l absorption de la lumière (éléments de transition: ions Fe 2+, Ti 4+, Cr 3+, Fe 3+, Cu 2+, Mn 2+ etc ). Les éléments de la classification périodique appelées Terres Rares (lanthanides principalement) sont des chromatophores très utilisés pour leurs propriétés optiques (lampes basse consommation, écran, etc ). b) Des lacunes dans la structure cristalline : certains «sites» accueillant les cations sont vides. Ils se créent lors de la croissance des cristaux, cette dernière n étant jamais parfaite. Ces lacunes se créent aussi par mouvement des ions dans le réseau cristallin. L absence de cations dans ces sites où ils se trouvent normalement fait donc apparaître des charges négatives (électrons) qui peuvent être excités et provoqués des absorptions spécifiques. Ces éléments chromatophores peuvent se trouver à l état «d impuretés» (ou défauts) ou bien en quantité importantes si bien qu ils sont caractéristiques du minéral. Il est très important de distinguer ces deux cas : > Impuretés: les éléments «chromatophores» ou lacunes du réseau présents en très faible quantité (bien inférieure à 1%!) suffisent pour coloré le cristal. Ici, la couleur n est pas un critère car d un échantillon d un même minéral à l autre, une impureté peut être présente ou non Ce phénomène est très fréquent! Exemple du quartz et de la fluorine. >Éléments chimiques caractéristiques du minéral: l élément chromatophore est toujours présent dans le minéral: dans ce cas, la couleur peut être une caractéristique du minéral! 8

9 3.2 L éclat: réflexion de la lumière L éclat dépend: - des propriétés optiques du minéral: son indice de réfraction (n). Plus il est élevé, plus de facteur de réflexion de la lumière sur les surfaces du cristal est important et plus le cristal réfléchi la lumière (cas du diamant par exemple). - de l état de surface du minéral Eclat Vitreux : minéraux d indices de 1,5 à 1,9 (et assez transparents) état de surface très bon (exemple : face de clivage ou de croissance) : exemple de nombreux silicates (quartz). Eclat adamantin : minéraux à très fort indice de réfraction (>2) et transparents: diamants, zircons. Eclat Métallique : minéraux opaques à très fort indice de réfraction (2-3). 9

10 Fiches descriptives des minéraux Pour chaque espèce minérale, vous disposez de plusieurs échantillons (en cristaux automorphes, xénomorphes, en monocristaux ou dans des roches, ). Vous devez établir une liste de propriétés qui caractérisent le minéral en justifiant vos observations pour chacune des caractéristiques listées ci-dessous. Groupes de minéraux à traiter par groupes de 2 étudiants: halogénures et sulfates, carbonates, quartz, feldspaths, micas, amphiboles, pyroxènes, péridots, grenats, silicates de métamorphisme. Nom du Minéral Caractéristique chimique/formule chimique Systéme cristallin (représenter les formes du cristal qui vous ont aidé à le déterminer, retrouver le ou les modèles en bois correspondants) Morphologies ou formes (dessiner les formes typiques si vous disposez de cristaux automorphes) Clivages (présence ou non, si oui, combien, quelles géométries des clivages, dessiner un cristal clivé) Couleur(s) (est-elle caractéristique ou non?) Eclat(s) Densité (forte, faible, comparer avec d autres minéraux de densités connues) Dureté (décrire les tests) Mâcles (dessins d une ou plusieurs mâcles qui vous semble caractéristique) Altération (observée ou non, si oui, quels éléments vous indiquent qu il y a altération) Gisements 10