Chapitre 2. Minéraux et roches

Chapitre 2. Minéraux et roches Chapitre 2. Minéraux et roches 2.1. Minéralogie 1

Minéral (Bonin, 1988) = solide naturel macroscopiquement homogène possédant une structure atomique ordonnée une composition chimique définie plusieurs milliers de minéraux Roche = assemblage de minéraux Définitions Cristal Cristal : solide dont les atomes constitutifs sont arrangés de manière régulière selon une disposition fondamentale (la maille) et répétée dans l espace (le réseau cristallin) 2

Chapitre 2. Minéraux et roches 2.2. Minéralogie 2.2.a. Cristallographie Maille cubique Mailles R.J. Haüy maille Empilement cubique 3

Une maille est la plus petite portion de l'espace qui, par translation, peut générer le motif cristallin infini et en a les mêmes propriétés chimiques et physiques Maille Construction de la maille z c un repère xyz trois angles αβγ trois longueurs abc 6 paramètres a β γ α b y 7 mailles 7 systèmes cristallins x 4

Système cubique Système quadratique 5

Système orthorhombique Système rhomboédrique = 6

Système hexagonal Système monoclinique 7

Système triclinique Les éléments de symétrie Centre de symétrie A C A B Axe de symétrie B B α A α 60 A6 90 A4 120 A3 180 A2 B P Plan de symétrie 8

Quels sont les éléments de symétrie d un cristal quadratique? Exercice C Correction (1) C 1 centre C 9

Correction (2) 1 miroir M 2 miroirs M 2 miroirs M A4 Correction (3) A2 A 2 1 axe A4 2 axes A2 2 axes A 2 10

Systèmes cristallins et symétries Système Côtés Angles Eléments de symétrie Cubique a=b=c α=β=γ=90 Hexagonal a=b α=β=90 γ=60 Quadratique a=b α=β=γ=90 A4 2A 2 2A 2 M 2M 2M C Rhomboédrique a=b=c α=β=γ 0 Orthorhombique a α=β=γ=90 Monoclinique Triclinique a a=b=c α=γ=90 β 0 α β γ 0 Chapitre 2. Minéraux et roches 2.2. Minéralogie 2.2.b. Cristallochimie 11

Classification des minéraux Les minéraux sont classés en fonction de la nature de l anion ex : carbonates (CO 3 ) 2-, oxydes (O 2- ) Il existe 8 classes de minéraux Famille Carbonates Halogénures Natifs Oxydes Sulfates Sulfures Silicates Quelques exemples Anion Exemple Composition CO 2-3 Calcite CaCO 3 Cl - Halite NaCl / Or Au Diamant C O 2- Hématite Fe 2 O 3 Gypse CaSO 4.2H 2 O S 2- Pyrite FeS 2 classification des silicates SO 4 2-12

Classification des espèces minérales établie en fonction de l anion : sans anion anions simples anions poly-atomiques cas des silicates : polymérisation des groupements [SiO 4 ] 4- Classification des minéraux Classe I Classe II Classe III Classe IV Classe V Classe VI Eléments natifs et alliages Sulfures, arséniures, antimoniures, tellurures Halogénures Oxydes simples et multiples Carbonates, nitrates, borates Sulfates, chromates, molybdates, wolframates Classe VII Phosphates, arséniates, vanadates Classe VIII Silicates Classe IX Minéraux organiques Polyèdre de coordination Dans une structure minérale : les liaisons sont essentiellement ioniques un ion est représenté par une sphère un cation est entouré par des anions disposés selon un motif géométrique : - les anions polyèdre de coordination - le cation le centre du polyèdre 13

Nature des polyèdres Rapport R C /R A <0,155 Nbre de coordination 2 Géométrie ligne Nature 0,155-0,255 3 triangle 0,255-0,414 4 tétraèdre 0,414-0,732 6 octaèdre 0,732-1 8 cube >1 12 cubo-octaèdre Elément Oxygène Silicium Aluminium Fer Calcium Sodium Potassium Magnésium Autres O Si Al Fe Ca Na K Mg % atomique 62,6 21,2 6,5 1,9 1,9 2,6 1,4 1,8 0,1 Les silicates Si et O sont les éléments les plus abondants de la croûte (silicates) 14

Principaux minéraux de la croûte Non silicates 8 % SILICATES 92 % R Si = 0,41 Å - R O = 1,40 Å Polyèdre Si-O 15

Tétraèdre Tétraèdre Si-O Silicium (Si 4+ ) Oxygène (O 2-) Quelle est la formule chimique du motif tétraédrique Si-O? Tétraèdre Tétraèdre Si-O Silicium (Si 4+ ) Oxygène (O 2-) [SiO 4 ] 4-16

Tétraèdres isolés [SiO 4 ] 4- Péridot (olivine) Principal minéral du manteau terrestre Nésosilicates Sorosilicates et cyclosilicates [Si 2 O 7 ] 6- [Si 6 O 18 ] 12-17

Inosilicates en chaîne Chaîne simple [Si 2 O 6 ] 4- simple Pyroxènes Diopside Inosilicates en chaîne Chaîne double [Si 4 O 11 ] 6- double Amphiboles 18

Feuillet [Si4O10]4- Phyllosilicates Micas, argiles Tectosilicates Edifice 3D [SiO2] quartz feldspaths 19

SILICATE = Classification structurale édifice de tétraèdres de [SiO 4 ] 4- agencés selon des motifs tri dimensionnels (charpente) grandes familles motifs reliés par des cations (compensateurs des charges) Abondance des minéraux de la croûte Tectosilicates = 63% 20

Notion de substitution Un silicate est composé d un squelette de tétraèdres [SiO 4 ] 4- Ce squelette définit des sites dans lesquels se placent les cations Les cations peuvent se remplacer dans un site si : leur rayon ne diffère pas trop leur charge est équivalente (±1) Ce phénomène est appelé substitution Principales substitutions Si 4+ Al 3+ Fe 3+ Mg 2+ Fe 2+ K + Na + Ca 2+ 21

Notion de solution solide Charpente silicatée => sites Si le milieu contient un seul type de cation : ex. Fe : minéral ferrifère Mg : minéral magnésien Si le milieu contient les deux types de cations : le site est occupé indifféremment par l'un ou l'autre cation (substitution) Le minéral est alors de composition intermédiaire entre le minéral ferrifère et le minéral magnésien On parle alors de solution solide Exemple des olivines Solution solide = un minéral dont un certain pourcentage de sites est occupé par un cation et le reste par un autre cation Site non tétraédrique (25) Site occupé par Mg 2+ (17) Site occupé par Fe 2+ (8) soit olivine à 17 25 = 68% soit 68% de forstérite 22

Notations Formule structurale Tétraèdres Crochets Ex. [Si 2 O 6 ]Mg 2 Solution solide Parenthèses Chimie Ex. [SiO 4 ](Fe,Mg) 2 Composition molaire : [SiO 4 ]Mg 2 = 1 SiO 2 + 2MgO [Si 2 Al 2 O 8 ]Ca =? = 2 SiO 2 + Al 2 O 3 + CaO Une autre façon de dire... Solution solide = un minéral dont un certain pourcentage de sites est occupé par un cation et le reste par un autre cation 3/12 = 40% Solution solide 2 minéraux imbriqués Rappel : un minéral est une phase homogène 23

Points à retenir Roche, cristal, minéral Tétraèdre [SiO 4 ] 4- Substitution / solution solide Principales familles de silicates Olivine, pyroxène, amphibole, micas, argiles, quartz, feldpaths Chapitre 2. Minéraux et roches 2.2. Pétrographie (étude des roches) 24

Erosion Les grands types de roches Roches sédimentaires Erosion Roches métamorphiques Métamorphisme Roches magmatiques Erosion Métamorphisme Fusion partielle du manteau Fusion Cristallisation Magma Fusion Systèmes cristallins et symétries Système Côtés Angles Eléments de symétrie Cubique a=b=c α=β=γ=90 3A4 4A3 6A2 3M 6M C Hexagonal a=b α=β=90 γ=60 A6 3A 2 3A 2 M 3M 3M C Quadratique a=b α=β=γ=90 A4 2A 2 2A 2 2M 2M M C Rhomboédrique a=b=c α=β=γ 0 A3 3A 2 3M C Orthorhombique a α=β=γ=90 A2 A 2 A 2 M M M C Monoclinique Triclinique a a=b=c α=γ=90 β 0 α β γ 0 A2 M C C 25