SiO 4 - Free

Dans les minéraux silicatés
4O
Mn+
O Si O
O
Iono-Covalent
Tétraèdre SiO4 rigide
Ionique
8 éléments
chimiques
à la base de
la composition
de la croûte
continentale
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
Composition moyenne de la Croûte continentale
Elément
% Poids
---------------------------Oxygène (O)
46.6
Silicium (Si)
27.7 (très important)
Aluminium (Al)
8.1
Fer (Fe)
5.0
Calcium (Ca)
3.6
Sodium (Na)
2.8
1.5% poids pour
Potassium (K)
2.6
tous les autres éléments
Magnésium (Mg) 2.1
total
98.5 chimiques
Organisation structurale = classification des silicates
3D
Polymérisation des tétraèdres silicatés
neutralisation des charges des oxygènes
[Si4O11]6[SiO4]4-
[Si2O7]6-
[Si6O18]12-
[Si2O6]4-
[Si2O5]2-
[SiO2]0
Les principaux minéraux silicatés
a) Minéraux silico-alumineux
Quartz
Feldspath K
plagioclases
SiO2
KAlSi3O8 orthose
NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8
Albite
Anorthite
Muscovite (mica) KAl3Si3O10 (OH)
2
b) Minéraux ferro-magnésiens
Biotite (mica)
Amphiboles
K (Mg, Fe)3 AlSi3O10(OH)
(Mg, Fe...)5
Si8O22(OH) 2
(Ca, Na...)2
Pyroxènes
(Ca, Mg, Fe)2Si2O6
Olivines
(Mg, Fe) 2SiO4
Grenats
2
NaAlSi2O6
Mg3Al2(SiO4)3
Grande importance des groupements hydroxyles:
présence de fluides hydratés (croûte, manteau).
Modes de formation
Trois exemples:
A) Cristallisation à partir de silicates fondus
olivine dans
roche volcanique
(basalte)
B) Cristallisation à partir de de fluides
à haute température
cristaux de quartz
C) Transformation en argile d’un feldspath altéré par une
solution (pluies, eau circulant)
les alcalins sont libérés dans la solution,
Réorganisation en carbonates
et silice dissoute
Al, Si restent pour construire des argiles
2 KAlSi3O8+2 (H+ + CO3 ) + H2O = Al2Si2O5(OH)4 + 2 KCO3 +
4(SiO2)d
2-
méthodes d’étude
Le microscope optique polarisant
Lumière naturelle
Lumière polarisée
Microscopie électronique à
balayage: échelle du mm
Précipités de carbonates bactériens atoll de Kiritimati, Pacifique
photo au microscope électronique à balayage
largeur 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
Structure de l’Olivine
Olivine rond bleu = M1
rond jaune= M2
Vue des différents sites M1 et
M2 etdes sites tétraédriques
Sites M1 // à l’axe C, liés par arêtes
Sites M2 isolés entre eux liés par arêtes aux sites M1
Les sites M1 et M2 sont liés aux tétra par arêtes et
par sommets
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
Solution solide
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
1205°C
Observation microscope polarisant
Lame mince en
lumière polarisée
Constituants des roches basiques et ultrabasiques du manteau
grains de cette roche (dunite) = olivine
Relation structure et propriétés
@ 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
@ La couleur
(de plus en plus foncée)
Variation en fonction de la
Substitution de Mg2+ par Fe2+
Existence naturelle
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)
II) Les grenats
lumière polarisée
Isotropes optiquement
Minéraux du métamorphisme (Al octaédrique: haute
pression), dans les schistes, parfois dans quelques
roches ignées en trace, granite et péridotite
Grenat ferrique Fe3+ (andradite)
Les grenats
présentent
généralement des
faces bien
développées.
Des éléments colorants
(ions de transition) se substituent au
Mg2+
Les Familles de Grenats
Pyrope : Mg3Al2Si3O12
Ouvarovite: Ca3Cr2Si3O12
Almandin: Fe3Al2Si3O12
Grossulaire:Ca3Al2Si3O12
Spessartite: Mn3Al2Si3O12 Andradite: Ca3Fe3+2Si3O12
“Pyralspites” - B = Al
“Ougrandites” - A = Ca
A coordinence 8
B coordinence 6
A = gros cations divalents 2+ ou monovalents 1+
B = cations trivalents 3+
A2+3
Les différents sites
Grenat
B3+2 [SiO4]3
Grenat : A2+3 B3+2 [SiO4]3
Grenat bleu = Si pourpre = A turquoise = B
Solutions solides
complexes
Spessartine:
Manganèse
Grossulaire:Fer
Uvarovite:
chrome
Gisements
1)Roches métamorphiques
Pyralspites dans Schistes
Ougrandites dans carbonates
2)Roches ignées
Dans 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)
Les grenats comme géomatériaux
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.
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
Intérêt: calage P-T des roches qui contiennent ces phases.
Point triple vers 500°C
et 4 kbars (12 km env.)
3,6
Augmentation de la densité avec P
3,23
6/6
3,2
6/5
6/4
Augmentation du nombre de
voisins de Al avec P (4,5,6)
Sillimanite
Chaînes d'octaèdres Al
Liés par arêtes
Tétraèdres de Si et Al
(Basse pression)
Andalousite
Chaînes d'octaèdres Al
Liés par arêtes
Tétraèdres de Si
et Al en coordinence 5
Disthène ou
kyanite
Deux 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%
@ Minéral accessoire des roches magmatiques et
sédimentaires = peu altérable, datation possible
des terrains dans lesquels il a été enfoui
Utilisation du zircon
@ Utilisation industrielle = source de Zr métal
(industrie nucléaire)
@ ZrO2 matériau réfractaire