Haute température

Les tectosilicates: Connexion 3D des tétraèdres
# Les tétraèdres partagent leurs quatre sommets entre eux et
forment un réseau peu dense et ouvert
# Minéraux très polymérisés
# Cas de la silice:
Si aucun atome ne se substitue au Si : formule stoechiométrique
SiO2
La neutralité du minéral est respectée
# Si Al3+ se substitue à Si4+ des cations intersticiels sont nécessaires
pour compenser la charge
# Les grandes cavités disponibles (arrangement des tétraèdres)
Permettent l’introduction de gros cations (K+, Ca2+…)
# Les minéraux basés sur un réseau alumino-silicaté sont les plus
abondants pour la croûte terrestre
# Les feldspaths représentent 65% en volume
# Réponse structurale aux changements de composition, température et
pression
# A haute température, structure très ouverte avec des enchainements
tétraédriques très symétriques
La silice
Tous les tétraèdres
sont polymérisés
formule = SiO2.
Formes contrastées:
cristaux formés dans
des filons
hydrothermaux
cristaux de quartz en remplissage des derniers
vides persistant lors du
refroidissement du granite
Les polymorphes de la silice
Différentes formes sur Terre
I)
Domaines de stabilité en température
Le quartz est le plus commun des polymorphes
Il est stable jusqu’à 857°C avec deux polymorphes de
basse température (alpha - 573°C- beta)
Vient ensuite la forme tridymite stable entre 857°C
Et 1470°C
La forme de haute température est la cristobalite
stable entre 1470°C et 1713°C le point de fusion
Les changemenst de structure des formes
Quartz - tridymite - cristobalite sont
de type reconstructifs soit une
Rupture et reconstruction des liaisons
Si-O
Le passage de la forme alpha à la forme beta
du quartz est dite displacive
Pas de rupture des liaisons mais modification
des angles Si-O-Si
La forme beta est la plus symétrique, le quartz alpha est le plus répandu
Les variétés les plus pures sont incolores et transparentes
II) Domaines de stabilité en pression
La coesite est une forme de haute pression stable dans les
Conditions de la base de la croûte (>20Kbars)
La stishovite est stable dans les conditions du manteau
(>75kbars)
Minéral dans lequel Si est trouvé en coordinence 6
III) Environnements de basse température ou sur le fond des océans
La silice est trouvée sous la forme amorphe ou sous une forme
Partiellement cristallisée (opale, calcédoine)
La structure des polymorphes hautes températures
Les tétra sont joints par sommets et forment des
couches.
Pointes alternées = anneaux de structure hexagonale
Tridymite : ABABAB…
Cristobalite : ABCABCABC…
Empilements hexagonaux non compacts
La structure des polymorphes hautes pressions
Les anneaux à 6 tétra dans le quartz passent à 4 tétra
dans la coesite
La stishovite présente des octaèdres partageant des
arêtes
Récapitulatif: diagramme pression et témperature
Forme macroscopiques du quartz
Si le quartz est laiteux = impuretés sous forme de bulles de gaz ou
de liquide (CO2, H2O, NaCl) ou sous forme d’inclusions d’autres
minéraux:
Rutile = cheveux de Vénus (TiO2)
Dumortiérite (rose) = quartz rose
La silice dans les environnements marins
Accumulation de débris de coquilles siliceuses (diatomées et radiolaires)
Dépôt de silice amorphe de type opale
Recristallisation pour donner les Cherts (dépôts de quartz très finement
Cristallisés)
La série Kalsilite - néphéline
Lorsque Si est remplacé par Al, des cations intersticiels se placent dans
la structure pour équilibrer les charges
Contrôle de la structure du minéral par la charge des cations (distorsion)
La kalsilite (KAlSiO4) et la néphéline (K, Na)AlSiO4 la moitié des Si est
Remplacée par Al
K ou Na occupent les canaux de la structure
Les Alumino-silicates à tétraèdres en
réseau 3D: les feldspaths
- substitution couplée:
1Si = 1Al+alcalin
2Si = 1Al+alc.terreux
-feldspaths alcalins:
Na-K
- feldspaths calco-sodiques:
plagioclases
Haute
température
Feldspaths en lame mince.
Echantillons macroscopiques bien
développés (dans des filons de
pegmatites).
Cristaux de microcline
orthose
Solution solide limitée
entre feldspaths
alcalins à basse
température:
formation de
structures
caractéristiques
(perthites).
Solution solide dans
les plagioclases
Les feldspaths potassiques KAlSi3O8:
3 formes en fonction de la température
Sanidine dans roches volcaniques
Microcline à basse température
Orthose à moyenne température (granites).
Haute température
Feldspath
solution solide
K-Na
Roche volcanique: trempe
Haute T
Milieu de
formation
Feldspath
solution solide
K-Na
Feldspath à
zones Na et K
distinctes
Roche plutonique:
refroidissement lent
Basse température
Feldspath Na
Feldspath K
Milieu de formation
Roche filonienne
Roches volcaniques: 1 type de cristaux, homogènes
Roches plutoniques: 1 type de cristaux, 2 phases Na et K coexistent
dans le même cristal: perthites
Roches filoniennes: 2 types de cristaux Na et K
Quelques minéraux non silicatés
Apatite
L'apatite = Ca3(PO4)2 minéral accessoire des roches magmatiques
alcalines (granites, syénites, pegmatites et laves équivalentes), des
carbonatites et des calcaires métamorphiques.
On la trouve en grains ou en agrégats dans ces roches.
L'apatite appartient au système hexagonal, de couleur blanche,
verte, bleu violacé ou incolore,à éclat vitreux ou résineux.
En proportions importantes, dans les roches sédimentaires
phosphatées
Le fluor prédomine en général (variété fluorapatite)
Apatite = principal minerai de phosphore
Exploitation des gisements sédimentaires
A la base de l'industrie des engrais simples ou composés en association
avec l'azote et la potasse (superphosphates, mélange, pour engrais, de
phosphate monocalcique et de sulfate de chaux).
Elle est accessoirement utilisée pour l'alimentation du bétail
(phosphate bicalcique), comme acide phosphorique dans les détergents
(polyphosphates) et pour la fabrication du phosphore pur.
Les principaux producteurs sont les États-Unis, le Maroc, la Chine,
ainsi que la Tunisie, la Jordanie, l'Afrique du Sud, le Brésil, le Togo,
Israël, le Sénégal et la Syrie.
La bauxite
La bauxite (des Baux-de-Provence) est une roche sédimentaire
ou résiduelle, qui est le minerai presque exclusif de l'aluminium
(plus de 95 %). Il s'agit d'une roche d'aspect et de
composition complexes
Formations bauxitiques, très variées:
hydroxydes d'aluminium (bœhmite [Al2O3, H2O])
gibbsite [Al(OH)3]
diaspore – polymorphe de la bœhmite
des silicates d'alumine (kaolinite),
des oxydes et des hydroxydes de fer (hématite, goethite),
accessoirement de titane, chacun en proportion variable.
La bauxite = altération complexe à partir de roches mères
(syénites, basaltes, roches métamorphiques) par évolution
pédologique sous couvert végétal en pays tropical
ou de terra-rossa sur un substratum calcaire.
Economie de la Bauxite
En France, les gisements reposent sur un substratum
carbonaté et karstifié d'âge secondaire.
Les dissolutions karstiques après la diagenèse de la bauxite,
entraînent des soutirages et des remaniements mécaniques et
chimiques du minerai.
La bauxite est calcinée pour obtenir l'alumine (Al2O3),
qui est elle-même traitée par électrolyse pour obtenir le métal.
La France =pionnière de l'industrie minière et métallurgique de Al après les
découvertes de la fin du XIXe siècle,
le groupe Pechiney-Ugine-Kuhlman (PUK),rôle mondial important dans
l'histoire de l'aluminium et dans la métallurgie de l'aluminium.
Les productions mondiales de minerai ont atteint des records de
114,2 millions de tonnes de bauxite et de 19,7 millions de tonnes de métal en
1993
cette croissance s'est maintenue en 1995: 19,7 millions de tonnes de métal.
Cette croissance = nouveaux pays gros producteurs, comme l’Australie
(42,6 millions de tonnes de bauxite en 1995) et le Brésil
(9 millions de tonnes en 1995), aux développements
en Guinée (16,5 millions de tonnes en 1994) et aux producteurs
«traditionnels»: Jamaïque, Russie, Surinam, etc.
Cet essor mondial s'accompagne en revanche du déclin rapide
de la production minière en France métropolitaine, qui s'est arrêtée
en 1991
La calcite
Appartenant au système rhomboédrique, la calcite est incolore et
transparente quand elle est pure (spath d'Islande montrant à l'œil nu
le phénomène de double réfraction), mais elle est le plus souvent
blanche et à éclat vitreux. Les formes cristallines sont nombreuses,
les plus fréquentes dans les géodes étant le rhomboèdre et le
scalénoèdre. Les clivages parfaits font apparaître les faces brillantes.
La calcite fait effervescence (dégagement de CO2) avec l'acide
chlorhydrique dilué à froid.
Se substituant à l'aragonite dans le test des organismes marins
pendant la diagenèse, ses cristaux microscopiques forment l'essentiel
des roches sédimentaires carbonatées (craie, calcaires, marnes)
Elle est le composant principal des roches métamorphiques
qui en dérivent (cipolin, marbres).
On la rencontre aussi, plus accessoirement, en masses blanches ou
diversement colorées dans les concrétions karstiques et dans les filons
hydrothermaux résultant de la dissolution de carbonates et de leur
recristallisation, et dans les carbonatites.
L'aragonite
De même formule et de même couleur que la calcite, l'aragonite appartient
cependant au système orthorhombique. Elle se présente en petits
prismes ou plus communément en aiguilles et en fibres; elle fait
effervescence sous l'action de l'acide chlorhydrique; métastable à la
température normale, elle se transforme en calcite.
La dolomite (Ca,Mg) (CO3)2
Également de même couleur et du système orthorhombique,
la dolomite n'est pas effervescente (sauf, faiblement, après broyage
en poudre). Elle est fréquente dans diverses roches sédimentaires
(calcaires dolomitiques, dolomies, évaporites) et dans les roches
métamorphiques dérivées, ainsi que dans les filons hydrothermaux.
La variété ankérite, où Fe se substitue partiellement à Mg, est
jaunâtre à brunâtre.
Utilisations, économie
Outre les granulats employés dans les bâtiments et les travaux publics,
les utilisations des carbonates sont nombreuses dans l'industrie:
sidérurgie, chimie, réfractaires, ciments, charges dans l'agriculture et
l'agro-alimentaire.
Le langage industriel appelle carbonates pour charges des produits de
haute qualité qui sont obtenus par broyage (par ordre de blancheur
croissante) de craies, calcaires et marbres de grande pureté.
Ces produits, à forte valeur ajoutée, sont utilisés dans les secteurs
des plastiques, du papier, des peintures, des adhésifs, du caoutchouc et
de la pharmacie. L'Europe de l'Ouest occupe le deuxième rang mondial,
après les États-Unis, quant à la production de carbonates pour charges.
La France, qui possède des ressources très importantes, en
produit 2,2 à 2,5 Mt/an.
Des charges carbonatées sont également fabriquées artificiellement
par précipitation chimique.
Des pays (comme les États-Unis) mieux dotés en gisements de kaolin
qu'en gisements de carbonates emploient moins de carbonates
pour charges dans leur papier que les pays européens.
La dolomite, dont la dureté est de 3,5 à 4, est par ailleurs trop
abrasive pour certains usages, comme la fabrication du papier.