Géologie 5
Représentation à l'échelle du rayon ionique des principaux ions
Les sommets du polyèdres définissent alors des sites dans lesquels se logent les cations. Un même site peut être occupé par des cations de plusieurs natures si les rayons ioniques ne différent pas trop. On définit ainsi des substitutions, qui sont le remplacement d'un cation par un autre.
Classiquement, Si4+ est remplacé par Al3+ et Ti4+, Mg2+ par Fe2+ et Mn2+, Na+ par Ca2+ et K+ par rien (Ba2+, NH4+, Cs+).
Principales familles de silicates
Le rapport Rc/Ra des ions Si4+ et O2- montre que le polyèdre de coordination des silicates est un tétraèdre. Les silicates peuvent donc être décrits,comme nous l'avons vu, comme résulant de l'empilement de tétraèdres. En fonction du mode d'agencement des tétraèdres [SiO4]4-, on établit une classification structurale des silicates.
Reconnaissance macroscopique des principaux silicates
L'objectif est de reconnaître macroscopiquement les principaux minéraux des roches.
Il s'agit d'acquérir une démarche.. Cette démarche doit être basée sur l'observation d'un certain nombre de critères. Les principales propriétés physiques des minéraux sont :
FORME : la forme d'un minéral dépend de son système cristallographique. Le minéral présente des faces planes et un certain nombre de symétries (axes, plans, points).
COULEUR : c'est l'impression laissée sur la rétine par la lumière réémise par une substance (lumière blanche initiale moins les longueurs d'onde absorbées par la substance). C'est un critère bien repérable, mais rarement un critère d'identification (elle dépend souvent des impuretés)
DENSITÉ (ou masse volumique) : c'est la quantité de matière dans un volume donné de la substance (kg/m3). Elle dépend essentiellement de la composition chimique et de l'organisation atomique.
DURETÉ : c'est la résistance des minéraux à la rayure. Il existe une échelle de dureté relative dite échelle de Mohs, constituée par une liste de dix minéraux de référence.
Pour tester la dureté de minéraux, on utilise l'ongle, la lame de couteau, le verre.
CLIVAGE : c' est un plan selon lequel le minéral se casse préférentiellement lorsqu'il est soumis à une contrainte. Ce sont des plans de moins grande densité atomique.
Une seule direction de clivage : cas des micas
Deux directions de clivage à 60° : cas des amphiboles
MACLES : ce sont des associations de plusieurs individus de la même espèce, orientées selon des lois cristallographiques strictes.
ECLAT : c'est l'expression du pouvoir réflecteur du minéral.
Métallique : fort pouvoir réflecteur/faible absorption de la lumière
Pierreux : faible pouvoir réflecteur/forte absorption de la lumière
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ï vitreux (hyalin) |
quartz (comme le verre) |
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ï adamantin |
diamant (aspect gras et huileux) |
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ï gras |
impression d'une couche d'huite |
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ï résineux |
comme la résine |
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ï soyeux |
dans le cas d'un minéral finement fibreux |
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ï nacré |
mica blanc (irisations) |
CASSURE : c'est un terme qui décrit l'aspect des surfaces brisées. La cassure conchoïdale a la forme d'un coquille (cf verre cassé)
TEST A L’ACIDE : c’est un test qui consiste à observer l’existence d’une effervescence lors que le minéral est mis en contact d’acide. Cas des carbonates en général.
Les tectosilicates - Classification de Streckeisen
Les tectosilicates sont des silicates dont l'agencement des tétraèdres est constitué d'une charpente à trois dimensions où chaque oxygène des sommets des tétraèdres est partagé avec les tétraèdres voisins. Le modèle type est le quartz [SiO2].
Le quartz
Le quartz est un tectosilicate cristallisant dans le système rhomboédrique.
Vue 3D de l'architecture du quartz. Rond rouge : silicium. Rond bleu : oxygène
Les feldspaths sont construits sur le même modèle. Toutefois, des substitutions Si-Al peuvent se produire. En effet, lorsque les ions ont un rayon ionique relativement voisin, les ions peuvent se substituer, Al3+ est donc incorporé dans les sites tétraédriques en substitution de Si4+. Notez que la substitution n'implique pas forcément que les ions soient de même charge.
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multiplions la formule [SiO2] par 4 -> [Si4O8].
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on substitue alors un Si4+ par un Al3+ -> [Si3AlO8]- (une charge négative apparaît)
on compense la charge électrique par un cation monovalent K+ : feldspath potassique [Si3AlO8]K ou Na+ : albite [Si3AlO8]Na
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on substitue deux Si4+ par deux Al3+ -> [Si2Al2O8]2-(deux charges négatives apparaissent)
on compense la charge électrique par un cation bivalent Ca2+ : anorthite [Si2Al2O8]Ca
Les ions Na+ et Ca2+ ont des rayons ioniques voisins; ils peuvent alors se substituer. On appelle solution solide une série de minéraux dont la formule évolue entre deux pôles extrêmes; on parle aussi de série isomorphe. La série entre l'albite et l'anorthite s'appelle la série des plagioclases; sa formule générale est :
(Na,Ca)[Si2Al(Si,Al)O8]
Une autre façon de l'écrire est de déterminer précisément la quantité de silicium et d'aluminium dans le plagioclase. Appelons x la fraction molaire de silicium qui reste après substitution par l'aluminium dans le plagioclase. La formule peut s'ecrire :
[Si2+xAl2-xO8](Nax,Ca1-x)
La fraction molaire d'albite dans le plagioclase peut être déterminée grâce à l'utilisation de méthodes puissantes, telle que la microsonde dont nous re-parlerons ou à des méthodes optiques plus simples que nous verrons en TP. La formule que nous venons d'écrire est une formule structurale, c'est-à-dire qu'elle comprend des informations sur la structure (notation entre crochets) et la composition, c'est-à-dire la fraction molaire de chaque élément dans le minéral. La formule strcuturale d'un minéral dépend de beaucoup de facteurs, notamment de la disponibilité des élements dans le magma qui est en train de cristalliser et de la compétition entre les différentes phases minérales en train de cristalliser.
Diagramme de phases albite-anorthite
Les feldspaths avec Na et K sont dits feldspaths alcalins. Il existe une solution solide entre l'albite et l'orthose stable seulement dans certaines conditions (haute pression et haute température). Plusieurs cas se présentent :
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la roche cristallise dans des conditions de grande profondeur (haute pression) : l'albite et l'orthose cristallisent alors indépendamment, il n'y a pas de passage par le stage feldspath unique.
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la roche cristallise à faible profondeur (basse pression) : il existe un seul feldspath alcalin
Diagramme de phases albite-orthose
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la roche remonte lentement en surface : les deux minéraux ne peuvent plus coexister dans la même structure, il y a alors exsolution
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la roche remonte rapidement, l'exsolution ne peut pas se produire, il persiste alors dans la roche un seul feldspath alcalin (Na et K à la fois)
Les feldspathoïdes
Les feldspathoïdes sont des tectosilicates. La substitution Si-Al est plus importante. D'autre part, ces minéraux ne sont pas stables en présence de quartz; ils réagissent avec le liquide magmatique siliceux pour former des feldspaths (réaction péritectique).
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Diagramme de phases leucite-quartz
Le magma dans lesquels ces minéraux précipitent est pauvre en silice; on parle de magma sous-saturé. Les fedspathoïdes sont donc des minéraux marqueurs d'un pauvreté du magma initial en silice. Les principaux feldspathoïdes sont :
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leucite [Si2AlO6]K
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néphéline [SiAlO4]4Na3Al
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la série isomorphe haüyne-sodalite-noséane
La classification de Streckeisen
La classification de Streckeisen est basée sur l'estimation des quantités relatives de tectosilicates dans les roches. Ces minéraux sont d'une importance cruciale. En effet, leur abondance dans les roches fait qu'ils servent de minéraux indicateurs de la nomenclature des roches. On utilise alors la classification dite de Streckeisen pour représenter la composition des roches. Dans ce diagramme, quartz et feldspathoïdes sont opposés compte tenu de l'impossibilité de les trouver ensemble dans une même roche.
Date de dernière mise à jour : 02/07/2021
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