Module Interactions eau/minéraux

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1 Master Géoenvironnement, Paysages et Risques Module Interactions eau/minéraux Par Ahmed BARAKAT Labo. Géoressources et Environnement Département des Sciences de la Terre FST _ Béni-Mellal

2 Plan général Introduction Chimie de l eau Chimie des géomatériaux Interaction eau-matériaux : Définition Expressions de l'altération chimique Bilan chimique de l'altération Mobilité des ions Types d interactions

3 Plan général Conséquences des interactions eau-matériaux : Altération pédogénique et formation des sols Karstification Altération des pierres de construction Altération des mortiers et des peintures murales Altération et conservation des roches de monuments (mécanismes d'altération, formes d'altération, techniques de caractérisation des altérations, conservation et restauration des monuments). Hydrothermalisme Géochimie environnementale

4 Introduction Les phénomènes d altération supergène (météoriques) comptent parmi les processus les plus importants qui modifient la surface de notre planète. Les altérations sont le résultat des interactions entre géosphère, biosphère, hydrosphère et atmosphère

5 Introduction L'eau qui ruisselle et s'infiltre dans le sol et le sous-sol, est peu minéralisée. Cette eau très agressive altère les minéraux et dissout certains produits de leur altération. L'analyse physico-chimique d'une eau est en quelque sorte la mémoire géologique de son trajet, superficiel et souterrain. La qualité physico-chimique d'une eau n'est cependant pas uniquement liée à la nature géologique du sous-sol : les activités humaines, aussi bien domestiques, industrielles qu'agricoles, se traduisent par des apports de produits divers qui s'ajoutent aux produits de l'altération.

6 Introduction les roches des surfaces continentales subissent des altérations qui sont des «usines» chimiques aux réactions lentes mais continues, à production massique gigantesque sur la durée. En agriculture, les altérations contrôlent le développement et l érosion des sols ainsi que leur productivité. En géotechnique, la répartition et les propriétés physiques des profils d altération conditionnent l aménagement des territoires. Dans le domaine de la gestion des risques naturels, l infiltration des eaux et les ruissellements dépendent des altérites et de leur couvert végétal.

7 Introduction Les réserves aquifères sont fréquemment liées à des altérites. Ainsi, sur les socles cristallins, les aquifères majeurs sont associés aux paléoaltérations et dans les régions calcaires, les karsts issus de l altération conditionnent la quantité et la qualité des ressources en eau. Enfin, la richesse et la répartition de nombreuses ressources minérales résultent d anciennes altérations

8 Chimie de l eau L'eau transforme sans cesse la surface de la Terre, grâce à l'interaction avec la surface solide et le transport de matières dissoutes ou en suspension. Ainsi, en tant que géologues, géographes, géomorphologues, nous sommes naturellement très préoccupés par l examen de l'interaction avec de l eau avec les minéraux. Pour cela, la chimie de l eau est donc la principale préoccupation de nombreux géochimistes

9 Chimie de l eau Qu'est-ce que l'eau? Omniprésente et indispensable au maintien de la vie, l eau est l un des corps chimiques les plus essentiels de notre planète Ses propriétés sont remarquables : Tension de surface élevée Densité plus faible à l'état solide Solvant universel

10 Chimie de l eau La molécule d eau, une molécule petite L eau est un corps dont l unité de base est une molécule. La molécule d eau, notée H 2 O, est formée d un atome d oxygène relié à deux atomes d hydrogène. Un cm 3 d'eau contient 236x1O 21 molécules Un flocon de neige peut être constitué de 18x1O 10 molécules d'eau.

11 Chimie de l eau La molécule d eau, une molécule polaire La molécule d'eau est à la fois asymétrique et polaire. Les électrons passent plus de temps près de l'atome d'oxygène, car il contient plus de protons. L oxygène a tendance à capter plus fortement les électrons que l hydrogène One large oxygen atom Two small hydrogen atoms

12 Chimie de l eau La molécule d eau, une molécule polaire L'atome d'oxygène grande dispose d'un champ électrique négatif, les deux atomes d'hydrogène plus petits ont un champ positif. Les molécules d'eau agissent comme des aimants. Cette polarité est une propriété extrêmement importante de la molécule d eau

13 Chimie de l eau La molécule d eau, une molécule polaire Les molécules d'eau sont «collantes». Puisque les molécules d'eau agissent comme des aimants, des liaisons peuvent en effet se former entre elles.

14 La molécule d eau, une molécule polaire Ces liaisons, dues à la polarité, s établissent entre les atomes d hydrogène de certaines molécules d eau et les atomes d oxygène de molécules d eau voisines, sont appelées " liaisons hydrogène".. Les molécules d'eau se déplacent à des vitesses variables qui augmentent ou diminuent lorsque la température ambiante augmente ou diminue.

15 Chimie de l eau Tension de surface (tension superficielle) élevée Si deux gouttes se rencontrent, elles vont fusionner et ainsi former une seule goutte (coalescence), produit de la tension superficielle. En effet, la surface totale du liquide est ainsi amoindrie. A la surface, une couche relativement tendue se forme suite aux forces d'attraction de la liaison hydrogène (forces de cohésion). Punaise

16 Chimie de l eau Tension de surface élevée C'est cette tension de surface qui permet aux punaises d'eau à traverser les étangs... Ceci empêche également l'eau de grimper hors de son contenant. C'est la tension superficielle qui retient la goutte au support La seule chose qui empêche les molécules d'eau de grimper au sommet du verre dans leur quête pour plus de liaison est la masse des molécules d'eau déjà lié à eux.

17 Chimie de l eau Tension de surface élevée Capillary Action Capillary Action Surface Tension Les molécules peuvent monter jusqu'à l'endroit où les forces opposées (forces de capillarité et tension de se surface) sont en équilibre.

18 Chimie de l eau Tension de surface élevée Prendre en considération cette propriété remarquable de l'eau, c est éviter des dommages.

19 Chimie de l eau Trois états de l'eau L'eau est la seule substance que l on trouve naturellement sous les trois états de la matière : solide, liquide et vapeur (ou gaz). L eau de la Terre est en constante interaction, l'évolution et en mouvement.

20 Chimie de l eau Trois états de l'eau A la pression atmosphérique normale et au niveau moyen de la mer, L'eau gèle à 0 C et boullie à 100 C. L'eau froide est plus dense que l'eau chaude. L'eau chaude sera flotter au-dessus de l'eau froide. Enfin, à environ 4 C, le liquide (eau) atteint sa densité maximale possible. Quand l'eau liquide gèle, son volume augmente. Ceci à des effets destructeurs suite à l'expansion et la contraction entre l'eau liquide et solide (gel-dégel).

21 Chimie de l eau Trois états de l'eau Dans l eau, ne l oublions pas, les molécules sont liées les unes aux autres par des liaisons hydrogène. Elles ont donc plus de difficulté à passer dans la phase gazeuse car il faut auparavant qu elles aient acquis suffisamment d énergie pour rompre ces liaisons. Pour fondre la glace, il en est de même : il faut d abord que l énergie d agitation des molécules soit suffisante pour qu un grand nombre de liaisons hydrogène puissent être tordues. Sur Terre, à la pression atmosphérique normale, L'eau gèle à 0 C et boullie à 100 C pour le plus grand bonheur de l humanité

22 Chimie de l eau Densité plus faible à l'état solide Comment les monstrueux morceaux de glace détachés de la banquise que sont les icebergs peuvent-ils dériver à la surface des océans? Pourquoi les glaçons flottent-ils dans nos verres? Pourquoi lacs et rivières gèlent-ils en surface en hiver? Les liaisons hydrogène dans la glace sont rectilignes alors que dans l eau liquide elles sont tordues : les distances entre molécules d'eau sont donc légèrement supérieures dans la glace à ce qu elles sont dans l'eau liquide. Il y a donc plus de "vide" dans la glace que dans l eau liquide et c est pourquoi la glace est moins dense.

23 Chimie de l eau Une grande inertie thermique L inertie thermique d un bâtiment est sa capacité à emmagasiner puis, à restituer la chaleur de manière diffuse. Les quantités d énergie nécessaires pour faire fondre la glace, vaporiser l eau liquide ou tout simplement élever la T de l eau sont elles aussi très élevées. En effet, pour élever de 1 C la T d une masse donnée d eau, il faut dépenser 4 fois plus d énergie que pour élever de 1 C la T de la même masse d air et 10 fois plus que pour élever de 1 C la T de la même masse de fer.

24 Chimie de l eau Une grande inertie thermique Les conséquences sur le climat d un tel comportement sont très importantes car les grandes masses d eau océaniques peuvent emmagasiner le jour puis restituer la nuit de grandes quantités d énergie solaire sans pour autant que leur température varie beaucoup. Quand l'air se refroidit, l'eau reste plus chaude et rechauffe l'air, ce qui atténue les variations thermiques de l'air. Les océans sont ainsi d excellents régulateurs de la température du globe terrestre.

25 Chimie de l eau L eau, un liquide très fluide Impossible de la garder longtemps au creux d une main bien serrée car l eau liquide est très fluide. De toute évidence, les molécules d eau peuvent donc facilement glisser les unes sur les autres. Les liaisons hydrogène devraient la rendre moins fluide que d autres liquides? Pour certains scientifiques c est la rupture puis la recombinaison des liaisons hydrogène, pour d autres c est leur souplesse, leur capacité à se tordre, qui permettrait aux molécules d eau de circuler aussi librement les unes par rapport aux autres.

26 Chimie de l eau L'eau, un solvant quasi universel Ajoutez du sel à de l eau et agitez. Très rapidement, l eau redevient claire et le sel n est plus visible : on dit que le sel s est dissous dans l eau. De même, le sucre se dissout très bien dans l eau. L eau est en effet un très bon solvant. Elle dissout un grand nombre de corps ioniques, comme les sels. Sont des corps solubles. Les corps qui ne sont pas dissous dans l'eau sont dits insolubles. L'eau peut oxyder, faire fondre, se dissoudre ou autrement détruire plus de substances que l'acide sulfurique

27 Chimie de l eau L'eau, un solvant quasi universel Cette propriété fait de l eau, pour le meilleur et pour le pire, le véhicule privilégié de substances variées. Ainsi dans la nature, lorsque l eau dévale les pentes, l eau dégrade les roches et se charge en sels minéraux solubles. Aussi, elle lessive les sols, drainant toutes les substances toxiques solubles qu elle rencontre, comme les nitrates issus des engrais, devenant ainsi un véritable vecteur de pollution

28 Chimie de l eau L'eau, un solvant quasi universel

29 Chimie de l eau L'eau, un solvant quasi universel

30 Chimie de l eau ph Dans les réactions chimiques, l'eau intervient d'abord par sa dissociation en protons H+, souvent associés à H2O pour former des protons hydratés H3O+, et en ions hydroxyle OH-. C'est le rapport entre ces 2 types d'ions qui détermine le ph de la solution (ph: logarithme de l'inverse de la concentration molaire en H+). ph = -log 10 [H + ]

31 Chimie de l eau ph ph = 7 : neutre = ph de l'eau pure ph eaux naturelles = 5-9 ph rarement supérieur à 14 et inférieur à 1 ph acide < 7 ( bcp de H + ) ; ph basique >7 (bcp de OH - ) De nombreux métaux peuvent décomposer l'eau en produisant un dégagement d'hydrogène et un hydroxyde métallique

32 Chimie de l eau Cycle de l eau La Terre est la planète la plus fortunée du système solaire : elle est en effet la seule à posséder autant d eau sur sa surface et dans son atmosphère. On la surnomme même la planète bleue depuis qu elle est ainsi apparue aux premiers astronautes qui ont pu l observer à distance. L eau est très abondante sur notre planète. Elle est même probablement l une des ressources les plus abondantes de la Terre.

33 Chimie de l eau Cycle de l eau Entre les quatre grands réservoirs d eau de l hydrosphère que sont les mers et océans, les eaux continentales (superficielles et souterraines), l atmosphère, et la biosphère, l échange d eau est permanent et forme ce que l on appelle le cycle externe de l eau. Le moteur de ce cycle en est le soleil : grâce à l énergie thermique qu il rayonne, il active et maintient constamment les masses d eau en mouvement.

34 Chimie de l eau Cycle de l eau Ce cycle se divise en deux parties intimement liées : - une partie atmosphérique qui concerne la circulation de l eau dans l atmosphère, sous forme de vapeur d eau essentiellement, - une partie terrestre qui concerne l écoulement de l eau sur les continents, qu il soit superficiel ou souterrain.

35 Chimie de l eau Distribution des eaux sur la Terre Entre

36 Chimie de l eau Distribution des eaux terrestres Il n est pas facile de chiffrer le volume total des eaux terrestres. Les seules quantités d eau qu il est aujourd hui possible d estimer sont celles contenues dans les quatre grands réservoirs de l hydrosphère, que sont les mers et océans, les eaux continentales (superficielles et souterraines), l atmosphère et la biosphère. Les volumes les plus difficiles à évaluer sont ceux des eaux souterraines de la croûte terrestre et du manteau terrestre.

37 Chimie de l eau Stocks des eaux terrestres Les réservoirs Les stocks Océans Eaux continentales Glaciers eaux de l hydrosphère Eaux souterraines Mers intérieures Lacs d eau douce Humidité des sols Rivières Atmosphère (humidité de l air) eaux douces Biosphère (cellules vivantes) 1 100

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39 Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Nous savons tous que les matériaux de notre planète sont constitués de minéraux. Les minéraux : espèces chimiques importantes de notre environnement naturel et de notre culture technologique. Sont le plus souvent exprimés sous forme de solides cristallins. Mis à part leur présence et leur observation à l'état naturel, ils sont à l'origine de nombreux articles de consommation courante comme les métaux, les verres, les céramiques, les peintures, les ciments,...

40 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Les minéraux possèdent une structure interne fortement ordonnée, lié à l arrangement ordonné d'atomes. Ils sont caractérisés par les atomes qui les composent et par la forme lorsqu'ils sont suffisamment développés (ce sont les cristaux). Un atome = 1 élément chimique, comme H, O, Fe, Ni,... Il y en a 106 dans le tableau périodique des éléments de Mendeleev

41 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins

42 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Les ions ou les atomes sont reliés par des forces électriques qui sont sont décrites en termes de liaisons chimiques. Le type et l'intensité de ces liaisons sont responsables des propriétés physiques et chimiques des minéraux telles que la dureté, la T de fusion, la conductivité thermique et électrique ou la solubilité. Dans les minéraux, trois types de liaisons chimiques prévalent : métallique, ionique et covalente.

43 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins la capacité relative des atomes d attirer des électrons lors de la formation d une liaison chimique, ça veut dire la différence en électronégativité entre les atomes qui constituent la liaison joue une rôle centrale Si deux (ou plusieurs) atomes s approchent, leurs nuages électroniques commencent à interagir. Les cas possibles: il y une répulsion (pour les couches complètes) les électrons peuvent changer propriétaire les atomes peuvent partager des électrons attraction forte (liaison chimique)

44 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Electronégativité

45 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins La liaison ionique est la plus courante. Certains atomes ont un excès d'électrons (cations), alors que d'autres en manquent (anions) pour être stables. Ils s'unissent, le cation fournissant son, ou ses, électron(s) supplémentaire(s) à l'anion qui en réclamait. Le composé ainsi formé devient stable

46 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Ce type de liaison est présent préférentiellement dans les sels, comme l'halite (NaCl). Leurs structures consistent en cations et en anions qui s'attirent mutuellement. Elle présente une faible énergie. Par conséquent, elle peut être détruite facilement. De ce fait, les minéraux présentant une liaison ionique sont facilement solubles dans l'eau, et ont également une dureté modérée.

47 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Dans le lien covalent, il y a partage d'une même orbitale par deux atomes, la liaison est donc stable. La liaison covalente est souvent caractéristique d'assemblage de mêmes éléments chimiques C'est le cas, par exemple, des gaz hydrogène (H2), Oxygène (O2) et chlore (Cl2).

48 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins La liaison covalente présente une forte énergie, et est la plus difficile à détruire parmi les trois liaisons décrites. Les minéraux présentant ce type de liaison sont généralement très durs, stables, fondent à HT. De plus ils sont insolubles dans l'eau et mauvais conducteurs électrique ou thermique.

49 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Les liaisons métalliques se trouvent dans les métaux natifs comme l'or, l'argent ou le cuivre. C'est une sorte de liaison ionique qui met en commun un ou plusieurs électrons, appelés électrons libres. Ces électrons qui se déplacent facilement font des métaux d'excellents conducteurs de chaleur et d'électricité. Ils ont également une faible dureté et une forte ductilité.

50 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Les minéraux sont constitués d'atomes et de molécules, et se définissent sur deux critères indissociables: La composition chimique : éléments (atomes) qui le composent et proportions respectives, la structure atomique : architecture spatiale de ces éléments. En simplifiant, on peut dire que le minéral est la matière ordonnée. Exemple : Le minéral halite possède une composition chimique NaCl, et une structure atomique cubique parce que l'arrangement des atomes, en alternance régulière entre les Cl et les Na, forme une trame cubique

51 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins En réalité, les ions sont tassés les uns sur les autres, mais conservent toujours la même structure

52 Chap. Chimie des géomatériaux Systèmes cristallins Un solide cristallin est constitué par la répétition périodique dans les 3 dimensions de l'espace d'un motif atomique, ionique ou moléculaire, appelé maille. La répétition de cette maille dans les 3 dimensions suffit à reproduire l'entièreté du réseau cristallin. Un système cristallin conditionné par les relations de symétries de la maille cristalline et l organisation des réseaux cristallins

53 Chap. Chimie des géomatériaux Systèmes cristallins La maille élémentaire est caractérisée par les 3 distances a, b, c et les 3 angles α, β, γ.

54 Chap. Chimie des géomatériaux Systèmes cristallins CUBIQUE HEXAGONAL ORTHOROMBIQUE QUADRATIQUE MONOCLINIQUE RHOMBOHEDRIQUE TRICLINIQUE

55 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins Tous les minéraux de la création auront des formes rapportées à l un de ces systèmes : Ex: Le Quartz est rhomboédrique Le diamant est cubique Le saphir est cubique L émeraude est héxagonale

56 Chap. Chimie des géomatériaux Coordinence Chaque atome ou ion dans la structure d'un minéral se relie à d'autres atomes ou ions au travers d'arrangements géométriques simples, appelés polyèdres de coordination. Le nombre d'atome/ions relié à un atome/ion spécifique défini le nombre de coordination (N.C) ou la coordinence. Les plus communs de ses polyèdres de coordination sont le tétraèdre (coordination 4), l'octaèdre (coordination 6) et le cube (coordination 8)

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58 Chap. Chimie des géomatériaux Coordinence Considérons un cristal ionique : la Halite (NaCl), dont la coordinance des atomes est 6: Par convention, on place le cation au centre, et lorsqu on visualise cela dans un réseau cristallin, cela donne : Type chlorure de césium réseau cristallins cubique simple, cations au site cubique (CN cation = CN anion = 8, R > 0.73) CsCl, CsBr, CsI, NH4Cl etc.

59 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins La figure montre deux polyèdres de coordination pour deux type de liaisons chimiques différentes : covalente pour le diamant (C) et ionique pour l'halite (NaCl). Chaque atome de C est relié à 4 autres atomes de C en coordination tétraédrique Chaque atome de Na est relié à 6 autres atomes de Cl en coordination octaétdrique

60 Chap. Chimie des géomatériaux Les édifices cristallins

61 Chap. Chimie des géomatériaux Substitution entre atomes Même si chaque minéral possède une composition chimique définie, on admet certaines variations. Il peut y avoir substitution de certains ions pour d'autres. Exemple : l olivine à la composition (Fe,Mg) 2 SiO 2 => la proportion entre Fe et Mg peut varier. Substitutions d'ions dans les minéraux contrôlées en grande partie par : la taille et la charge des ions, si la taille et la charge des ions différentes => pas de remplacement.

62 Chap. Chimie des géomatériaux Substitution entre atomes Facile de faire des substitutions d'ions de taille et de charge semblables, comme de substituer Fe au Mg, ou Na au Ca, Difficile de substituer du K ou O à Al.

63 Chap. Chimie des géomatériaux Abondance des éléments chimiques sur la terre Lors de la formation de la terre: Elts légers remontés vers surface (O et Si) Elts lourds, vers centre de la Terre (Fe, Ni). Conséquences: Si et O plus abondants (74,3% des matériaux). Minéraux silicatés ou silicates (Si, O) = 95% volume croûte terrestre.

64 Chap. Chimie des géomatériaux Abondance des éléments chimiques sur la terre

65 Chap. Chimie des géomatériaux Abondance des éléments chimiques sur la terre Elts majeurs environ 99% de la croute Elts mineurs environ 0,9% Elts en traces environ 0,1%

66 Chap. Chimie des géomatériaux Classification des minéraux En fonction de leurs anions ou groupes anioniques, les minéraux sont regroupés en différentes familles. Sur terre, deux familles de minéraux sont prépondérantes : les silicates et les oxydes. Dans les croûtes continentales et océaniques et dans le manteau terrestre, les silicates représentent la famille la plus abondante.

67 Chap. Chimie des géomatériaux Classification des minéraux

68 Chap. Chimie des géomatériaux Classification des minéraux

69 Chap. Chimie des géomatériaux Classification des minéraux

70 Chap. Chimie des géomatériaux Classification par processus de formation Les minéraux sont formés par des processus ignés, métamorphiques, sédimentaires et hydrothermaux.

71 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux Silicates Les silicates constituent l essentiel des roches magmatiques et métamorphiques. Tous les silicates possèdent une structure de base composée des ions Si 4+ et O 2-

72 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux Silicates Le tétraèdre de base Si0 4 Bilan électriques: tétraèdre = charge négative 4- Neutraliser charge: Liens tétraèdre à tétraèdre : par leurs O, Liens métalliques : par des ions positifs externes : Fe 2+, Mg +, K +

73 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux Silicates La famille des silicates se décline en six grandes familles: Nésosilicates Tétraèdres reliés entre eux par des cations (ions métalliques) : Olivine - Grenats Disthène Sillimanite Andalousite

74 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux Silicates Sorosilicates Tétraèdres unis par paires avec un atome d oxygène en commun, (Si 2 O 7 ) 6- (Epidote, Ca 2 (Fe,Al)Al 2 (SiO 4 )(Si 2 O 7 )O(OH)) Cyclosilicates Tétraèdres en anneaux, ils cristallisent souvent en prismes (Tourmalines) Béryl Be 3 Al 2 Si 6 O 18

75 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux Silicates Inosilicates Tétraèdres allongés en chaînes simples, d ou la forme allongée des minéraux : Pyroxènes Plans de faiblesses = lignes continues reliant ions métalliques à angle 90

76 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux Silicates Inosilicates Amphiboles Plans de faiblesses = lignes continues reliant ions métalliques à angle 120

77 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux Silicates Phyllosilicates Tétraèdres en feuillets caractéristiques : Micas (KAl 2 [(OH,F) 2 AlSi 3 O 10 ]), Argiles,.qui leur confère des propriétés absorbantes et plastiques Couches planaires, charge (-) neutralisée ions Fer ou Mg. 2 types de couches planaires: * Couche tétraédrique, notée T : tétraèdres Si-O * Couche octaédrique, notée O : ions Fe-Mg et O Couches (feuillets) st unis par gros ions K +

78 Principaux minéraux Silicates Tectosilicates Tétraèdres reliés par tous leurs sommets (pas par métaux) d ou une dureté supérieure et la difficile introduction d ions au cœur de la structure : Les quartz ou les feldspaths

79 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux

80 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux Carbonates Carbonates ou roches calcaires Principalement dans roches sédimentaires. De structure cristalline et minéralogique simple. Ions (CO 3 ) 2- liés à Ca 2+ et/ou Mg 2+ et/ou Fe 2+ La calcite (calcaire pur) = CaCO 3, associe le radical (CO 3 ) 2- = structure rhomboédrique

81 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux

82 Chap. Chimie des géomatériaux Principaux minéraux

83 Chap. Chimie des géomatériaux Classification des Roches Les roches de l écorce terrestre sont classées en trois grandes familles distinctes : Les roches Magmatiques Les roches sédimentaires Les roches métamorphiques.

84 Chap. Chimie des géomatériaux Les roches Magmatiques Présentent en commun la particularité d être issues de la consolidation d un Magma. Acide (+SiO2) Roches Quartzofeldspathiques Roches feldspathiques Roches plutoniques Granite Syénite Diorite Gabbro Syénite néphélinique Roches volcaniques Rhyolite Trachyte Andésite Basalte Phonolite Roches feldsapthiques et feldspathoidiques Roches - - (- SiO2) feldspathoidiques Basique Roches Ultrabasiques Péridotite -

85 Chap. Chimie des géomatériaux Les roches Métamorphiques Une roche métamorphique dérive toujours d une roche antérieure, au travers de variations de température et de pression.

86 Chap. Chimie des géomatériaux Les roches Sédimentaires

87 Chap. Chimie des géomatériaux Les roches Sédimentaires

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89 Interaction eau-minéraux : Introduction L altération est l ensemble des modifications chimiques et physiques naturelles qui affectent les sédiments et les roches exposés à l atmosphère, à l hydrosphère et à la biosphère Elle est contrôlée par: la solubilité des minéraux la structure de la roche le climat (température et précipitations) la présence de sol et de végétation la durée d exposition

90 Chap. Interaction eau-matériaux Introduction L altération produit toutes les argiles du monde, tous les sols et les substances dissoutes que les rivières amènent aux océans. Elle est de deux types : L altération physique/mécanique et l altération chimique. Ne change pas la composition chimique Modifie la composition chimique Une fois les roches réduites en particules elles sont déplacées par l érosion.

91 Chap. Interaction eau-matériaux Cycle des roches L altération et l érosion sont des phénomènes clés dans le cycle des roches

92 Chap. Interaction eau-matériaux Altération Physique L altération mécanique modifie les rapports surface/volume La fragmentation facilite l altération. L altération augmente la surface.

93 Chap. Interaction eau-matériaux Altération Physique 1. Gel Les alternances de gel-dégel, en climat suffisamment humide, fragmentent les roches (cryoclastie). L'eau en gelant augmente son volume de 9-10% et élargit progressivement les fractures. 2. Végétaux Éclatement de la roche par les racines

94 Chap. Interaction eau-matériaux Altération Physique 3. Tectonique microfractures L altération dans ce cas progresse le long de plans de fracture (diaclases) d origine vraisemblablement tectonique, géométriquement ordonnés, plus ou moins horizontaux et verticaux. Cela donne un débit en boules avec une disposition plus "géométrique"

95 Chap. Interaction eau-matériaux Altération Physique 4. Dilatation thermique dans les régions désertiques 5. Abrasion (vent, sable, rivière turbulente )

96 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique L eau = agent majeur de l altération L eau est une molécule singulière + La liaison O-H est polarisée La molécule d eau se comporte comme un dipôle dont la force d attraction vis-à-vis d un ion détermine sa solubilité. La force d attraction dépend du potentiel ionique (PI). PI= Charge Rayon ionique

97 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Mobilité des ions

98 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Mobilité des ions Le domaine des cations solubles Faible charge attire les dipôles d eau Na (principal constituant de l eau de mer) Ca, Mg (calcaire) Rem: PI<1

99 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Mobilité des ions Le domaine des précipitations d hydroxydes (hydrolysats) Xn+ +H2O XOH + H+ Hydroxydes sont insolubles

100 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Mobilité des ions

101 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Expressions de l'altération

102 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Expressions de l'altération

103 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Expressions de l'altération Aspects granulométriques

104 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Expressions de l'altération Aspects minéralogiques

105 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Bilan chimique Bilan des éléments qui sont partis lors de l'altération chimique (mise en solution et lessivage), ou qui sont restés immobiles R. Initiale (Granite) R. Finale (Saprolite) SiO 2 71,45 55,25 Al 2 O 3 14,60 26,23 CaO 2,08 0,16 MgO 0,77 0,33 Na 2 O 3,84 0,05 K 2 O 3,92 0,14 Fe 2 O 3 2,51 6,55 MnO 0,04 0,03 TiO 2 0,26 1,03 P 2 O 5 0,10 0,11 CO 2 0,14 0,36 H 2 O 0,30 9,76 100,01 100,00

106 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Bilan chimique

107 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Conclusion L altération, un tri chimique et minéralogique. Elts solubles, peu nombreux, migrent dans l eau de ruissellement. Elts insolubles se retrouvent enrichis dans le sol (le résidu d altération) Tous les minéraux n ont pas la même sensibilité à l altération, il y a une séquence d'altérabilité (séquence de Goldschmidt). L altération chimique, c est l adaptation des minéraux des roches aux conditions thermodynamiques de la surface terrestre : solution aqueuses diluées et acides, basse T et P de 1 bar, oxygène et MO.

108 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Ce n est pas l eau qui altère ce sont les protons HCO 3- en milieu acide et les groupements OH - en milieu alcalin. L altération en condition expérimentale de minéraux montre des courbes en cloche pour les vitesses de dissolution en fonction du ph. Sources des protons dans la nature : l acide carbonique et l acide sulfurique H 2 O + CO 2 HCO 3- + H+ SO 2 + O SO 3 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4

109 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions

110 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Le ph est un paramètre excessivement important dans les eaux naturelles qui va influer énormément la solubilité des espèces ioniques et la précipitation des minéraux. ph Eau naturelle 10 Sols alcalins 8,5 Eau de mer 7 Eau de rivière 6 Eau de pluie 4 Tourbières 3 Eau de mine 1 Sources chaudes acides ph des eaux naturelles

111 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Processus d oxydation Perte d un électron par un atome ou une molécule (les minéraux silicatés riches en fer (pyroxène, amphibole) sont facilement oxydés et transformés en oxydes de fer aux teintes brun-rouge) 4Fe2+ + O2 ion ferreux 4FeSiO3 + O2 pyroxène 4Fe3+ + 2O2- ion ferrique 2Fe2O3 + 4SiO2 hématite silice dissoute

112 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Processus d oxydation Vue macroscopique d un granite sain Vue macroscopique d un granite en voie d altération

113 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Processus de dissolution Dissolution totale des minéraux carbonatés ou évaporitiques (calcite, dolomite, sels, ) en milieu aqueux acide Dissociation de la calcite H2O + CO2 H2CO3 acide carbonique CaCO3 + H2CO3 calcite Ca HCO3 - bicarbonate Dissociation de l halite NaCl + H2O Na + + Cl - + H2O

114 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Processus de dissolution Karst Gorges

115 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Processus d hydratation Addition d eau à un composé sans modification chimique de celui-ci. C est le phénomène inverse de la déshydratation Hydratation Déshydratation CaSO4 + 2H2O anydrite Fe2O3 + 2H2O Hematite CaSO4 2H2O CaSO4 2H2O gypse 2 FeOOH Goethite CaSO4 + 2H2O

116 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Processus d hydrolyse Dissolution partielle des minéraux silicatés et formation d une phase insoluble Mx primaires + Eaux d infiltration Mx résiduels + Secondaires Eaux d altération

117 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Types d interactions Mx primaires + Eaux d infiltration Mx résiduels et + Secondaires Eaux d altération

118 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Minéraux primaires Mx primaires + Eaux d infiltration Mx résiduels + Secondaires Eaux d altération Minéral Anorthite 112 Diopside Enstatite Albite Feldspath K Forstérite Durée de vie (ans) Muscovite Quartz Durée de vie d un minéral de 1mm 3 (ph 5 et 25 C)

119 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Minéraux secondaires et résiduels Mx primaires + Eaux d infiltration Mx résiduels + Secondaires Eaux d altération En minéraux résiduels: En minéraux secondaires: Quartz Feldspath K Micas Phyllosilicates Oxydes et Hydroxydes (Fe, Al, Mn) Carbonates Sulfates

120 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Trois degrés d altération chimique NaAlSi3O8 + H2O + H + (Si3,7Al0,3)Al2O10(OH)2Na 0,3 + H4SiO4 + Na + A albite smectite NaAlSi3O8 + H2O + H + albite Si2Al2O5(OH)4+ H4SiO4 + Na + kaolinite B NaAlSi3O8 + H2O + H + albite Al(OH)3+ H4SiO4 + Na + gibbsite C Taux de lessivage d un élément : (n i solution/n i albite) x 100

121 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Trois degrés d altération chimique A- Bisiallitisation B- Monosiallisation C- Allitisation

122 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Trois degrés d altération chimique Hydrolyse faible : genèse des argiles de type 2/1 (TOT) (Smectite, Montmorillonite, Illite, Vermiculite) riches en cations basiques en position interfoliaire (Mg, K, Ca). On perd peu de silice => BISIALLITISATION. Hydrolyse plus poussée : les cations basiques sont éliminés, la silice est entrainée. Formation des argiles de type 1/1 (TO) => MONOSIALLITISATION. Hydrolyse totale : silice et cations n existent plus. Formation de la gibbsite => ALLITISATION.

123 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération et climats

124 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération et climats En fonction de la pluviométrie, les 3 degrés d altération se retrouvent Latérite Précipitations et Températures (augmentent les taux d altérations)

125 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération et climats Précipitations et Températures (augmentent les taux d altérations)

126 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération et climats

127 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération et climats Les études expérimentales montre que la température active la vitesse de dissolution des minéraux. Ex: Granite : 2 tous les 10 C Plus le climat est chaud, plus l altération es basaltes est efficace

128 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération : pompe du CO 2 Le gaz carbonique C est la source essentielle d acidité. Il est produit par les végétaux (respiration des racines) et la décomposition dans les sols de la matière organique morte. Dans la sols, la pressions partielle de CO 2 atteint souvent 100 fois celle de l atmosphère. Si le sol n est pas gorgé d eau, le CO 2 s échappe, sinon il se dissous et baisse le ph de la solution de sol, il est alors capable d altérer les minéraux. le CO 2 qui se dissous est faible par rapport à celui qui part dans l atmosphère.

129 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération : pompe du CO 2 CaAl 2 Si 2 O 8 + 3H 2 O + 2 CO 2 Ca HCO 3 - Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + Ca HCO 3 - CO 2 + H 2 O + CaCO 3 L altération d une mole d anorthite a pompé une mole de CO2

130 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération : pompe du CO 2

131 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Altération : pompe du CO 2

132 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Conclusion L altération des roches est un processus géologique majeur. L altération forme les sols. L altération est un mécanisme de tri géochimique. L altération est un des mécanismes régulateurs de la composition de l atmosphère et de la terre.

133 Chap. Interaction eau-matériaux Altération chimique Conclusion Les facteurs de l altération Le type de minéral La température et les précipitations (climats) La concentration en solutés dans la solution La vie, les bactéries et les champignons La production d acidité, donc de CO2.