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