O Si O O O 4 - M n+ Iono- Covalent Ionique Dans les minéraux silicatés Tétraèdre SiO 4 rigide
O Si OO
O 4 -
Mn+
Iono-Covalent Ionique
Dans les minéraux silicatés
Tétraèdre SiO4 rigide
94% du volume de la croûte continentale est constitué d’oxygène
Si et O les plus abondants: Si+O = 74,3% en masse
silicates = 95% en masse
8 élémentschimiquesà la base dela compositionde la croûtecontinentale
Composition moyenne de la Croûte continentale
Elément % Poids----------------------------Oxygène (O) 46.6Silicium (Si) 27.7 (très important)Aluminium (Al) 8.1Fer (Fe) 5.0Calcium (Ca) 3.6Sodium (Na) 2.8Potassium (K) 2.6Magnésium (Mg) 2.1total 98.5
1.5% poids pour tous les autres élémentschimiques
Organisation structurale = classification des silicates
3D
Polymérisation des tétraèdres silicatés neutralisation des charges des oxygènes
[Si2O7]6-
[SiO4]4-
[Si6O18]12-
[Si2O6]4-
[Si4O11]6-
[Si2O5]2-
[SiO2]0
Les principaux minéraux silicatés
a) Minéraux silico-alumineux
Quartz SiO2
Feldspath K KAlSi3O8
plagioclases NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8
Muscovite (mica) KAl3Si3O10 (OH) 2
orthose
Albite Anorthite
b) Minéraux ferro-magnésiens
Biotite (mica)
Amphiboles
Pyroxènes
Olivines (Mg, Fe) 2SiO4
(Ca, Mg, Fe)2Si2O6
K AlSi3O10(OH) 2(Mg, Fe)3
Si8O22(OH) 2
(Mg, Fe...)5
(Ca, Na...)2
NaAlSi2O6
Grande importance des groupements hydroxyles: présence de fluides hydratés
(croûte, manteau).
Grenats Mg3Al2(SiO4)3
Trois exemples:A) Cristallisation à partir de silicates fondus
olivine dans roche volcanique (basalte)
Modes de formation
cristaux de quartz
B) Cristallisation à partir de de fluides à haute température
les alcalins sont libérés dans la solution,Réorganisation en carbonateset silice dissoute Al, Si restent pour construire des argiles
C) Transformation en argile d’un feldspath altéré par une solution (pluies, eau circulant)
2 KAlSi3O8+2 (H+ + CO32-) + H2O = Al2Si2O5(OH)4 + 2 KCO3 +
4(SiO2)d
méthodes d’étudeLe microscope optique polarisant
Lumière naturelle Lumière polarisée
Microscopie électronique à balayage: échelle du m
Précipités de carbonates bactériens atoll de Kiritimati, Pacifique photo au microscope électronique à balayagelargeur de l'image: 10 microns
Microscopie électronique en transmission: en dessous du
nm
19,2A
Sections hexagonales de canaux dans un silicate de métamorphisme: les ronds représentent les tétraèdres et non les atomes individuels.
Tétraèdres isolés
a)Aucun des tétraèdres [SiO4]4- ne partage d’oxygène avec un autre tétraèdre [SiO4]4- : Ils ne partagent pas d’oxygène pontant
b) Les oxygènes du tétraèdre sont partagés avec des polyèdres de plus grande taille (octaèdre, cube…)
c) Ces minéraux ne présentent pas de plan de clivage
I) Les olivines (Mg,Fe)2SiO4
2 pôles purs: Forstérite (Mg) et fayalite (Fe)
Olivines du Pakistan
Vue des différents sites M1 et M2 etdes sites tétraédriques
Structure de l’Olivine
Sites M1 // à l’axe C, liés par arêtesSites M2 isolés entre eux liés par arêtes aux sites M1 Les sites M1 et M2 sont liés aux tétra par arêtes et par sommets
Olivine rond bleu = M1 Olivine rond bleu = M1 rond jaune= M2rond jaune= M2
Les sites occupés par les éléments dans l’olivine
@ Sites M1 et M2 contiennent Fe2+, Mg2+ et Ni2+
Préférence du site M1 pour Fe2+ et Ni2+
@ Existence de solutions solides complètes pour Fe, Mg et Mn car rayon équivalent
@ Pour la monticellite (CaMgSiO4) pas de solution solide complète car Ca (1Å)
Ca entre dans les sites M2 et Mg dans les sites M1
Les olivines vont se former précocement lors du refroidissement d’un magma: formes bien développées.
Termes magnésiens, prédits par le diagramme d’équilibre.
Cristaux précoces dans une lame mince de basalte
Solution solide
1205°C
grains de cette roche (dunite) = olivine
Constituants des roches basiques et ultrabasiques du manteau
Lame mince en lumière polarisée
Observation microscope polarisant
@ La densité du minéral augmente en fonction de la teneur en fer.
@ transition de phase olivine - spinelle à HP,HT
Compressibilité des M>tétra M2 > M1
A 150 Kbars les deux sites sont à la même taille et donc transition vers la phase spinelle qui ne possède qu’un seul type de site octaédrique = séismes profonds
Lorsque T et P augmente encore passage à MgSiO3 +MgO
Relation structure et propriétés
@ La couleur
(de plus en plus foncée)Variation en fonction de la Substitution de Mg2+ par Fe2+
a)Les olivines = premiers produits de cristallisation (magmas riches en fer et Mg et pauvres en silice)
b)Les roches les plus riches en olivines sont les dunites et les péridotites (ol, px, gt) = roches du manteau
Présentes dans les basaltes (fond des océans)
Forstérites = matériau à pt de fusion élevé (1890°C) minéraux réfractaires (ex: briques de four de verrerie)
Lors de l’altération olivine = serpentines (amiantes)
Existence naturelle
II) Les grenats
Minéraux du métamorphisme (Al octaédrique: haute pression), dans les schistes, parfois dans quelques roches ignées en trace, granite et péridotite
Isotropes optiquement lumière polarisée
Grenat ferrique Fe3+ (andradite)
Les grenats présentent généralement des faces bien développées.
Des éléments colorants(ions de transition) se substituent auMg2+
Pyrope : Mg3Al2Si3O12 Ouvarovite: Ca3Cr2Si3O12
Almandin: Fe3Al2Si3O12
Grossulaire:Ca3Al2Si3O12
Spessartite: Mn3Al2Si3O12 Andradite: Ca3Fe3+
2Si3O12
““Pyralspites” - B = AlPyralspites” - B = Al “Ougrandites” - A = “Ougrandites” - A = CaCa
Les Familles de Grenats
A coordinence 8 B coordinence 6
A = gros cations divalents 2+ ou monovalents 1+B = cations trivalents 3+
Les différents sites
Grenat Grenat AA2+2+
33 B B3+3+22 [SiO [SiO44]]3 3
Grenat bleu = Si pourpre = A turquoise = BGrenat bleu = Si pourpre = A turquoise = B
Grenat : AGrenat : A2+2+33 B B3+3+
22 [SiO [SiO44]]3 3
Grossulaire:Fer
Uvarovite: chrome
Spessartine:Manganèse
Solutions solidescomplexes
GisementsGisements
1)Roches métamorphiques1)Roches métamorphiquesPyralspites dans SchistesPyralspites dans SchistesOugrandites dans carbonatesOugrandites dans carbonates
2)Roches ignées2)Roches ignées Dans péridotitesDans péridotites
@ L’altération des grenats donne des serpentines du talc, de la chlorite et de l’épidote.
@ Dans les grenats sédimentaires (grossulaire dominant, andradite, ouvarovite) des groupements hydroxyles peuvent se substituer aux tétra SiO4 = hydrogrossulaires (8.5% H2O)
Lorsque Ti4+ entre dans les sites B et Na dans les sites A de ces grenats on obtient la mélanite ou grenat noir (assez commun)
Ils sont principalement utilisés comme:
@abrasifs dans les industries du bois, du cuir et du plastique @pour le décapage par sablage @Pour la confection de papier abrasif, @Pour le surfaçage du verre@Pour la filtration.
Les grenats comme géomatériaux
III) Les silicates d’alumine, Al2SiO5
Le disthène: métamorphisme de haute pression
Adaptation d’une structure minérale à des modifications de P-T = différents polymorphes
3,23
3,2
3,6
6/6
6/5 6/4
Point triple vers 500°C et 4 kbars (12 km env.)
Augmentation du nombre de voisins de Al avec P (4,5,6)
Intérêt: calage P-T des roches qui contiennent ces phases.
Augmentation de la densité avec P
SillimaniteChaînes d'octaèdres Al
Liés par arêtesTétraèdres de Si et Al
(Basse pression)
AndalousiteChaînes d'octaèdres Al
Liés par arêtesTétraèdres de Si
et Al en coordinence 5Disthène ou
kyaniteDeux octaèdres Al
(6/6)Liés par arêtes
Tétraèdres de Si (Haute pression)
IV) Le zircon
ZrSiO4 pouvant contenir du Hf en remplacement de Zr
Structure du zircon@ Zr = coordinence 8 (site cubique distordu) entouré de six tétraèdres SiO4
@ Zircon souvent métamicte: altération de la structure sous effet d’irradiation naturelle (U ou Th présents en faible quantité dans la structure)= Structure désorganisée = obtention d’un matériau localement vitreux avec une réduction de densité de 16%
Utilisation du zircon
@ Utilisation industrielle = source de Zr métal (industrie nucléaire)
@ ZrO2 matériau réfractaire
@ Minéral accessoire des roches magmatiques et sédimentaires = peu altérable, datation possibledes terrains dans lesquels il a été enfoui