Composition chimique de la terre - Géochimie-Mineralogie

Composition chimique de la terre - Géochimie-Mineralogie

I/Eléments chimiques de la terre :

L’analyse chimique des éléments est effectuée sur les différentes roches terrestres qu’elles soient sédimentaires, magmatiques ou métamorphiques.

Les éléments les plus abondants dans la croûte représentent en poids plus de 98% du total, ce sont les éléments majeurs, les autres éléments se trouvent en trace.

	Divers	Al	Fe	Ca	Na	K	Mg	Si	O
Teneur En volume		0.8	0.68	1.4	1.58	2.1	0.6	0.8	91.8
Teneur en poids		8.1	5	3.6	2.9	2.6	2	27.7	46.6

II/Notion de cristallographie :

Une roche est constituée de plusieurs grains plus au moins jointifs appelés minéraux.

Cristallographie : c’est l’étude des formes, des structures et des propriétés des cristaux.

Minéral : c’est un cristal homogène ayant une composition chimique et des caractéristiques bien définis (physiques).

Les minéraux naissent dans la nature par association d’éléments chimiques, dans un minéral les atomes sont ordonnées selon un réseau géométrique bien définie qui se répète périodiquement dans tout le minéral Ex :Quartz SiO2

On dit dans ce cas que le minéral est cristallisé.

Quand l’arrangement des éléments est quelconque, le minéral est dit dans ce cas amorphe (sans forme précise) Ex : verre volcanique.

Tous les minéraux cristallisés, se ramènent à sept formes géométriques auxquels on a donné le nom de systèmes cristallins : cubique, quadratique, orthorhombique, rhomboédrique, hexagonal, monoclinique, triclinique.

Dans une roche les minéraux ne sont pas visibles à l’œil nu on utilise alors les microscopes et les rayons X.

Les minéraux sont stables dans des conditions précises de température, de pression et de milieu chimique.

III/Principaux minéraux de l’écorce terrestre :

Il existe plus de 2500 espèces de minéral dont la plus grande partie est rare, seulement une centaine environ de ces minéraux sont abondant et parmi lequel 95% sont silicatés contre 5% non silicatés.

A-Minéraux silicatés :

Ils sont caractérisés par la présence du silicium dans leur réseau cristallin. [SiO₄]^4-

Le silicium est entouré par quatre atomes d’oxygène formant un tétraèdre de formule [SiO₄]^4-

Selon les assemblages, le tétraèdre met en commun avec les tétraèdres voisins 1, 2,3 ou 4 Oxygènes.

Les liaisons se font uniquement sur les sommets, le tétraèdre peut aussi être isolé.

Les minéraux de même famille auront des commun et surtout même formule de base.

On distingue plusieurs familles de minéraux :

Nésosilicates :

Les nésosilicates sont formés de l'ion [SiO₄]^4- ; il s'agit de la famille des péridots, des grenats, des silicates d'alumine ou encore du zircon.
 Les tétraèdres sont isolés entre eux (ils n'ont pas d'atome d'oxygène en commun) et sont reliés par des cations. Ex : Zircon ZnSiO₄, Forstérite Mg₂SiO₄, Fayalite Fe₂SiO₄.
Ces deux derniers appartiennent à la famille des olivines.

Sorosilicates :

Les sorosilicates sont formés des ions [Si₂O₇]^6- qui partagent un atome d'oxygène entre eux. Il s'agit de la famille de l'épidote. Ex : Melilite Si₂ O₇Ca₂Mg

Cyclosilicates :

Les cyclosilicates sont formés à partir des ions [Si₆O₁₈]^12- ; les tétraèdres reliés forment des structures en anneau (d'où leur nom). Il s'agit de la famille du béryl, de la cordiérite ou encore de la tourmaline.
Ex : Beryl Si₆O₁₈Be₃Al₂

Inosilicates :

Les inosilicates rassemblent les minéraux dont les tétraèdres sont disposés en chaînes. Ces chaînes peuvent être soit simples, soit doubles et s'étendent parallèlement à l'axe c de la maille cristalline des minéraux.

Chaîne simple

Les inosilicates à chaîne simple sont constitués d'ions [Si₂O₆]^2-, ils rassemblent le groupe des pyroxènes. La structure du minéral s'organise autour de chaînes simples de tétraèdres reliées entre elles par des ions métalliques (Mg, Fe, Al...) situés dans des sites octaédriques.
Ex : famille des pyroxènes Si₂O₆MgCa

Chaîne double

Les inosilicates à chaîne double sont constitués d'ions [Si₄O₁₁]^4-, ils rassemblent le groupe des amphiboles.

Phyllosilicates

Les phyllosilicates sont constitués d'ions [Si₄O₁₀]^4-. Les molécules SiO₄ sont polymérisées sous forme de couche de Si₄O₁₀ ; les couches tétraédriques sont séparées entre elles par une couche octaédrique possédant une molécule (OH). Ces deux types de couches, formant une structure en feuillets, sont reliées entre elles par des liaisons faibles vans der Waals. Les phyllosilicates rassemblent le groupe des micas, de la serpentine, de la gibsite...

Tectosilicates

Les tectosilicates sont constitués de molécules de silice SiO₂ ; les tétraèdres sont tous reliés entre eux par leurs atomes d'oxygène. Il s'agit de la famille du quartz.
Exemple :
Quartz SiO₂ .
Feldespath : *Alcalins----Albite Si3O3AlO8Na
                                 ----- Orthose Si3O3AlO8K
                   *Plagioclases série continu depuis l’albite jusqu’a l’anorthite.

Albite Si3AlO8Na	0 à 10% An	Plagio.Acide
Oligoclase	10 à 30% An
Andesine	30 à 50% An
Labrador	50 à 70% An	Plagio.Basique
Bytonite	70 à 90% An
Anorthite Si2AlO8Ca	90 à 100% An

Les feldspathoïdes:Il sont proche des feldspaths avec un cation d’aluminium qui remplace un cation de silicium dans un tétraèdre sur trois. Ex : Si2AlO6K Leucite
Ces minéraux sont en général plus pauvres en silice SiO2 en état liquide que les feldspaths, il n’existe jamais ensemble avec le quartz, ils sont représentatifs d’un manque de silice.
B-Mineraux non silicatés :
Ces minéraux se concentrent sous forme de minerai dans les gisements et représentent moins de 5% en masse dans la croûte terrestre. Ils ne possèdent pas de silicium dans leur structure.
On les classe selon leur forme chimique
1/Les natifs :
 Les éléments ne s’associent pas à d’autres éléments et se trouvent seul Ex : Fe, Cu , Au ,Ag.
2/les sulfures :
Ces éléments contiennent du soufre dans leur structure chimique. Exemple : Blende ZnS , La galène PbS, Pyrite Fe2S.
3/Les halogénures :
Exemple : Halite NaCl , Fluorine Fl2Ca.
4/Les oxydes et les hydroxydes :
Exemple : Classeterite SnO2, magnétite Fe3O4, Hématite Fe2O3.
5/Les carbonates :
Exemple : Calcite et l’aragonite CaCO3.
6/Les sulfates :
Exemple : Barytine BaSO4Gypse CaSO4, 2H2O.
IV-Evaluation des minéraux, Notion de stabilité et d’instabilité :
La nature et la stabilité des minéraux dépendent de la température, de la pression et de la chimie du milieu de cristallisation. Chaque fois que ces conditions changent les minéraux deviennent instable et peuvent être remplacé par d’autres minéraux.
Exemple1 :
Le quartz et l’olivine ne se trouvent jamais dans une roche.
*Si le milieu est riche en silice, il y a cristallisation du quartz et du pyroxène.
* Si le milieu est faible en silice, il y a cristallisation de l’olivine et du pyroxène.
Exemple2 :
Le quartz et les feldspathoïdes ne se rencontrent jamais dans une roche.
*Si le milieu est riche en silice, il y a formation du feldspath et du quartz.
*Si le milieu est pauvre en silice, il y a formation du feldspath et des feldspathoïdes.
La cristallisation :
Dans un magma qui se refroidit, les minéraux cristallisent selon un ordre précis appelé suite réactionnelle de Bowen.
Pour les ferromagnésiens (minéraux sombre) :
Il y a cristallisation d’abord d’olivine puis le pyroxène, ensuite l’amphibole et enfin le mica.
Quand la température baisse l’olivine devient instable et conduit à la formation de pyroxène et le quartz, s’il reste de la silice le pyroxène donne l’amphibole et le quartz qui donne par suite le mica et le quartz , s’il reste encore du silice il y a formation du quartz.
Pour les feldspaths : Parallèlement à l’évolution des minéraux sombres, les minéraux claires cristallisent en formant d’abord les plagioclases basiques puis les plagioclases acides et enfin cristallisation des feldspaths alcalins (orthose et albite). S’il reste de la silice il y a formation du quartz (roche sursaturée).
Pour les feldspathoïdes : s’il ne reste pas de silice pour former les feldspaths alcalins il y a formation des feldspathoïdes caractéristique des roches sous saturées (pauvre en silice) et s’il n y ni quartz ni feldspathoïdes la roche est dite saturée.