Cristallographie et minéralogie

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1 Cristallographie et minéralogie
TP pétrologie Cristallographie et minéralogie

2 Abondance des minéraux et des éléments dans la croûte

3 Les minéraux non-silicatés :
Eléments natifs (Or, Diamant) Halogénures (Halite, Sylvite) Sulfures (Pyrite, Galène) Oxydes et hydroxydes (Hématite, Corindon) Carbonates (Calcite, Dolomite, Malachite) Sulfates (Gypse) Phosphates (Apatite) Tungstates (Wolframite)

4 Structure cristalline des silicates :
Caractérisés par le motif élémentaire tétraédrique [SiO4]4- comportant un atome de Silice au centre et des atome d’oxygène aux quatre sommets. Ces tétraèdres sont reliés entre eux soit par des cations, soir par un ou plusieurs atomes d’Oxygène, commun de ce fait à 2 tétraèdres. [SiO4]4-

5 Structure cristalline des silicates :
Principales familles de silicates Les silicates résultent de l'empilement de tétraèdres. En fonction du mode d'agencement des tétraèdres [SiO4]4-, on établit une classification structurale des silicates. [Si2O7]6- [Si6O18]12- FAMILLE DES CYCLOSILICATES Tétraèdres en anneaux Exemple : tourmaline, béryl, cordiérite [SiO4]4- FAMILLE DES NESOSILICATES Exemple : famille des péridots (olivine), grenats, zircon FAMILLE DES SOROSILICATES Paire de tétraèdres Exemple : épidote

6 [Si2O6]4- [Si4O11]6- FAMILLE DES INOSILICATES EN CHAINE SIMPLE
FAMILLE DES INOSILICATES EN CHAINE SIMPLE Chaîne de tétraèdres Exemple : famille des pyroxènes FAMILLE DES INOSILICATES EN CHAINE DOUBLE ou RUBANS Exemple : famille des amphiboles

7 [Si4O10]4- [SiO2] FAMILLE DES PHYLLOSILICATES Tétraèdres en feuillets
Exemple : famille des micas, famille des argiles, chlorite, serpentine [SiO2] FAMILLE DES TECTOSILICATES Association des tétraèdres par tous les sommets dans les 3 dimensions de l’espace. Exemple : quartz, famille des feldspaths* (alcalins et plagioclases), famille des feldspathoïdes

8 Les systèmes cristallins :
La structure cristalline est formée par la répétition d’un volume élémentaire de matière cristallisée : la maille. Celle-ci induit les propriétés des cristaux et leurs formules chimiques. Il existe 7 systèmes cristallins qui dépendent des 6 paramètres de maille. Dans le repère xyz, on définit 3 angles et 3 longueurs.

9 Le système cubique : Pyrite Grenat

10 Le système hexagonal : Béryl : l’émeraude

11 Le système quadratique ou tétragonal :
Zircon

12 Le système rhomboédrique :
possède six faces identiques (comme le cube) mais en forme de losange, on peut le comparer à un cube que l'on aurait écrasé (rhomboèdre obtus) ou au contraire étiré (rhomboèdre aïgu) par deux de ses sommets opposés. La calcite

13 Le système orthorhombique :
Aragonite Olivine

14 Le système monoclinique :
Orthose

15 Le système triclinique :
Disthène

16

17 Attention aux troncatures : ce sont des faces d’un cristal qui apparaissent selon différents processus de croissance cristalline, et qui ne sont pas l’une de celles du solide primitif de son système cristallin. Elles peuvent tronquer une arête ou un sommet de ce solide primitif. Elle donnent des séries de polyèdres fondamentaux

18 Diamant

19 Grenat

20 Pyrite

21 Les substitutions cationiques : les règles de Goldschmidt
Deux cations peuvent se substituer l’un à l’autre si le plus grand n’excède pas en taille 15% du plus petit. A charge égale, c’est le plus petit qui est préférentiellement intégré. A taille égale, c’est le plus chargé. Le plus fréquemment : Mn Fe Mg2+ Ca2+Al Na1+Si4+

22 Les feldspaths : un exemple de substitution cationique
    Les sommets de tétraèdres/octaèdres définissent des sites dans lesquels se logent les cations. Un même site peut être occupé par différents cations si les rayons ioniques /charges 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 (sauf Na -cas rare- et Ba2+, NH4+, Cs+). Les plagioclases sont des tectosilicates dans lesquels un Si4+ ou deux Si4+ sont remplacés par un ou deux Al3+. Le déficit de charge est alors compensé soit par un cation alcalins (Na+ : Na[Si3AlO8], albite ; K+ : K[Si3AlO8], orthose), soit alcalino-terreux (Ca2+ : Ca[Si2Al2O8], anorthite). Des substitutions Si-Al peuvent se produire. Si et Al -> rayon ionique relativement voisin, les ions peuvent se substituer dans les sites tétraédriques. la substitution n'implique pas forcément que les ions soient de même charge.

23 Albite Anorthite (Na,Ca)[Si2Al(Si,Al)O8] [Si2+xAl2-xO8](Nax,Ca1-x)
1. multiplions la formule [SiO2] par 4 -> [Si4O8]. 2.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 3. 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 Albite Anorthite 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. (Na,Ca)[Si2Al(Si,Al)O8] Ou encore : [Si2+xAl2-xO8](Nax,Ca1-x) La formule que nous venons d'écrire est une formule structurale,   

24 Formules structurales des minéraux
une formule structurale : -> 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 structurale d'un minéral dépend de beaucoup de facteurs, notamment de la disponibilité des éléments dans le magma qui est en train de cristalliser / roche métamorphique en cours de recristallisation et de la compétition entre les différentes phases minérales en train de cristalliser.

25 * Composition fine des minéraux : principe de la microsonde
    La microsonde ---> composition d'une phase (minérale ou autre). Principe : faisceau électronique. émissions d'électrons rétrodiffusés, d'électrons réfractés, -> rayonnements secondaires envoyés vers un spectromètre. informations : longueur d'onde, l'énergie, la masse des particules du faisceau secondaire, ---> nature et de quantifier les éléments de la substance (méthode spectrométrique basée sur l’utilisation de standards de composition connue).

26 Exercice 1. Retrouvez l'architecture des minéraux dont voici les formules structurales :
* la jadéite : Na(Al,FeIII)[Si2O6] * le glaucophane : Na2Mg3Al2[Si8O22](OH)2 La jadéite comprend un groupement [Si2O6]. Il s'agit donc d'un inosilicate à chaîne simple. -> roches métamorphiques de très haute pression Le glaucophane comprend le groupement [Si8O22], soit 2 fois [Si4O11]. Il s'agit donc d'un inosilicate à chaîne double.

27 Exercice 2. Trouvez la formule de base du diopside, sachant qu'il s'agit d'un inosilicate à chaîne
simple avec autant de Mg que de Ca. Diopside [Si2O6]CaMg

28 Exercice 3. Trouvez la formule de base de la cordiérite, sachant qu'il s'agit d'un cyclosilicate avec un motif de base à six tétraèdres dont cinq [SiO4], trois atomes d'aluminium supplémentaires et une quantité égale de Fe et de Mg. [Si5AlO18]Al3(Fe,Mg)2

29 Exercice 4. Trouvez la formule de base de la forstérite et de la fayalite, sachant qu'il s'agit de nésosilicates avec Mg pour la forstérite et Fe pour la fayalite. [SiO4]Mg2 (forstérite) <---> [SiO4]Fe2 (fayalite)

30 Exercice 5. La biotite forme une série isomorphe entre deux pôles dont l'un est ferreux KFe3[AlSi3O10](OH)2 et l'autre magnésien. Ecrire la formule générale de la biotite. K(Fe,Mg)3[AlSi3O10](OH)2

31 Exercice 6. Donnez la formule structurale de l'augite (pyroxène) sachant qu'il s'agit d'un inosilicate à chaîne simple qui constitue une solution solide entre le diopside (avec Ca et Mg) et de l'hédenbergite (avec Ca et Fe). [Si2O6]Ca(Fe,Mg)

32 Calcul des formules structurales : principe
* Exemple de l'olivine     L'objectif du calcul des formules structurales est de passer de la composition en %poids d'oxyde donnée par la microsonde en fraction molaire, en respectant la formule de l'architecture du minéral. Par exemple, on va calculer la formule d'une olivine. Les olivines forment une solution solide entre la fayalite (pôle ferrifère) et la forstérite (pôle magnésien).     Soit une olivine dans la composition est  donnée par la colonne [1] :    

33 OLIVINE. Masse Mol. Prop. mol. Cations/mol Nb cations Ox/mol Nb oxy
OLIVINE Masse Mol. Prop. mol. Cations/mol Nb cations Ox/mol Nb oxy Nb/cations [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] SiO , , , , , ,99 FeO , , , , , ,87 MgO , , , , , ,14 MnO , , , , , ,01 Total , ,354 SiO , , , , , ,99 FeO , , , , , ,87 MgO , , , , , ,14 MnO , , , , , ,01 Total , ,354 2,354 Colonne [2] : masse molaire moléculaire Colonne [3] : proportions moléculaires. Résultat de la division de la composition par la masse molaire de l'oxyde Colonne [4] : nombre de cations dans une mole d'oxyde Colonne [5] : nombre de cations à partir de la composition. Multiplier [3] par [4] Colonne [6] : nombre d'oxygène dans chaque oxyde. Comptabiliser le nombre d'oxygènes dans chaque oxyde Colonne [7] : multiplier la proportion moléculaire par [3] le nombre d'oxygène [6]. Faire le total Colonne [8] : diviser le résultat de l'étape [5] par le total de l'étape [7] et multiplier par le nombre d'oxygène du modèle d'architecture (attention : les oxygènes liés à l'eau ne sont pas comptabilisés). Dans le cas de l'olivine, c'est 4. La formule structurale est : [Si0,99O4](Fe0,87Mg1,14Mn0,01)     Le rapport Fe/(Fe+Mg) est de 0,43, soit 43% de fayalite dans cette olivine.

34 Pyroxène : Amphibole : SiO2 50,38 SiO2 56,16 Al2O3 3,01 Al2O3 0,2
* Exercices : calculs des formules structurales d'un pyroxène et d'une amphibole Pyroxène : SiO2 50,38               Al2O3 3,01 TiO2 0,45 Fe2O3 1,95 FeO 4,53 MgO 14,69 MnO 0,09 CaO 24,32 Na2O 0,46 K2O 0,15 Total 100,03 Amphibole : SiO2 56,16               Al2O3 0,2 Fe2O3 1,81 FeO 6,32 MgO 19,84 MnO 2,3 CaO 9,34             Na2O 1,3 K2O 0,14 H2O+ 2,16 H2O- 0,48 Total 100,05