Explication du Cours de Minéralogie Approfondie L1 Géologie

Cours de Minéralogie Approfondie L1 Géologie

Explication de Prof. Mvuemba Ntanda Félix

Vendredi, le 12 Février 2016

Les oxydes comprennent le plus souvent ce qu’on appelle les oxydes majeurs :

SiO₂
TiO₂
Al2O₃
Cr₂O₃
FeO
MnO
MgO
CaO
Na₂O
K₂O
P₂O₅

Quand on prend les abondants: le silicium, l’aluminium, le fer, le manganèse, le magnésium et le calcium + le sodium, on est pratiquement à 98% des éléments constitutifs du globe terrestre.

On va utiliser comme composés des oxydes, mais nous avons vu ensemble. Quand on a par exemple les sulfures. Quand nous avons fait les formules structurales de sulfures, on ne donnait que des éléments :

Cu
Ni
Co
Fe (il intervient aussi)
Pb
Zn

La plupart des éléments cations :
Ag
Au
Pt
Et souvent accompagnés de :
S (le soufre apparaît ici sous forme de sulfure, mais il peut apparaître aussi sous forme de SO₃).

Qu’est-ce qu’une phase ?
Une phase est assimilable à un minéral.

A partir d’aujourd’hui, on va voir quelque chose relativement pas dure, mas beaucoup plus  théorique. Nous allons voir ce que vous avez déjà d’ailleurs vu : la thermodynamique.

La thermodynamique, appelée aussi science du possible et de l’impossible, est extrêmement important dans l’étude de Géologie. Le dépit de la quantification de certaines choses signifie que les théories que nous apprenons doivent s’accommoder avec certaines lois. La thermodynamique va nous dire si quelque chose est possible ou impossible. Si c’est impossible, on n’ose pas poser une action comme théorie.

La thermodynamique est une science qui a trois lois :

1. Première loi de thermodynamique :

Elle établit que l’énergie interne d’un système (s’oppose à l’environnement)  isolé est constante.

Ex. : Si l’on prend par exemple de l’eau liquide. En RDC, nous avons de l’eau liquide à 25°, en Belgique de même ainsi qu’au Canada, retenons qu’à l’Equateur toutes ces eaux auront exactement la même énergie interne. Si nous prenons un système fermé, c’est-à-dire où la masse de la matière est constante, on constate que ce système ne peut échanger avec l’extérieur que l’énergie. Toute modification de l’énergie interne va correspondre à un travail effectué par le système fermé.

Ex. : Si nous prenons un bassin d’eau, et que l’énergie interne de l’eau a changé ; l’énergie interne sera proportionnelle à l’énergie calorifique moins le travail. Cela s’écrit de la manière suivante : . C’est-à-dire que toute modification de E égale .

E = énergie interne
Q = énergie calorifique
W = Travail

Si nous envisageons un système de piston et cylindre,

Fig. 1 : Système de piston et cylindre (dessiné par Daniel L.)

Dans le cas du piston, le travail va correspondre à

F= Force
dl= Déplacement. La force est égale à la pression multipliée par la surface puisque la pression se forme à la surface.

Remarque : Ce que nous devons retenir de la première loi est que les différents types d’énergie sont intransandables.  Nous pouvons avoir par exemple de l’énergie mécanique, de l’énergie calorifique, etc. ce sont là des énergies thermodynamiques.

1. Deuxième loi de thermodynamique:

La modification de l’énergie interne d’un système en température et pression constantes va entraîner une modification dans le degré d’ordre ou de désordre du système. Pour cela, on introduit une nouvelle fonction appelée ‘’entropie’’ qui représente le niveau du désordre dans un système. On prend la chalcopyrite par exemple dont la formule chimique est CuFeS₂. On a trois sites :

; ₂    bien  que le cuivre tout comme le fer soient deux éléments de la première série de transition. Le cuivre de la chalcopyrite est Cu²⁺ et le fer est Fe²⁺.

Si l’on prend le rayon ionique du cuivre et du fer, c’est du même ordre de grandeurs. Pourtant, nous avons trois sites ici qui sont bien déterminés. Et jamais dans cette chalcopyrite appelée de basse température, le cuivre va quitter son site pour aller se mettre à côté du fer, et vice versa.

Cristallographiquement, la chalcopyrite est quadratique. Mais, toutes les chalcopyrites ne sont pas à basse température.

Si l’on prend la chalcopyrite non assimilée, on augmente la température, il va se produire à un moment donné en introduisant un élément de l’ordre avec cette augmentation de la température, le cuivre va se mettre à côté du fer, et vice versa. Dans ce cas, la formule chimique change (Cu, Fe) S₂. Il s’agit de chalcopyrite de haute température qui est cubique.

Donc, à basse température, les sites ne sont pas les mêmes, et la structure cubique de la chalcopyrite sera ce qu’on appelle en cristallographie une surstructure de la structure de la chalcopyrite à basse température. Ce phénomène n’est pas isolé.

Si l’on prend un feldspath potassique, KAlSi₃O₈ :

• Orthose ;
• Microcline ; et
• Sanidine.

Si nous examinons leurs structures, la sanidine a une structure monoclinique (C2/m). C’est la forme de haute température.

Quand on entre dans l’intimité de la sanidine, on se rend compte qu’il y a une distribution non ordonnée de l’aluminium et du silicium dans l’ossature alumino-silicatée.

Le microcline a une structure triclinique ( ). C’est la forme de basse température. Dans le microcline, la distribution de l’aluminium et du silicium est strictement ordonnée.

Nous avons la troisième phase qui est la plus connue, l’orthose. Dans l’orthose, la distribution de l’aluminium et du silicium est semi-ordonnée.

Q/ Est-ce qu’on peut trouver le microcline dans une série volcanique ?

R/ Non, puisque c’est minéral de basse température, alors que l’activité volcanique est un phénomène de haute température. En fait, quand le magma arrive à la surface, il subit ce qu’on appelle le phénomène de trappes. Ce phénomène consiste à un refroidissement drastique, c’est-à-dire un refroidissement extrêmement vibré (rapide, brutal).

Ex. : on est à Goma, la température à moyenne de l’ordre de 22 à 23°. On a le magma de type basaltique. C’est-à-dire, les températures sont au-delà de 900° (entre 900 et 1200°). Dès qu’une lave monte, elle va passer de très peu de temps de 10° à moins de 30°. C’est un refroidissement drastique (draconien, rigoureux).

Par contre, si l’on prend un magma de type plutonique, le refroidissement est beaucoup plus lent. Si le magma au départ est de 750 à 800°, il va refroidir lentement en développant un métamorphisme de contact. C’est-à-dire, il va transmettre petit à petit sa chaleur à l’encaissant.

Dans l’hydrothermalisme, l’eau est sous forme gazeuse. Car, l’eau n’existe pas au-delà de 100°. D’où, il n’existe pas d’eau liquide au-delà de 100°. Donc, quand on vous parle du phénomène d’hydrothermalisme, il s’agit du phénomène qui se passe sous forme de vapeur.

Quand on a les plutonites, les roches telles que le gabbro. Celui-ci n’est pas trop vocatif puisque les minéraux vocatifs (alcalins) vont vers le pôle granitique. Quand vous avez par exemple une granodiorite, vous pouvez rencontrer dans cette roche et l’orthose et le microcline puisque le refroidissement est beaucoup plus lent. Tandis que dans les roches volcaniques, au maximum, vous ne pouvez avoir que de l’orthose. Le plus souvent d’ailleurs, ce que vous avez, ce sont des sanidines parce que le refroidissement est tellement violent. Vous avez déjà vu à la télévision le phénomène volcanique. Vous avez une lave qui quelquefois part comme une rivière, des vapeurs qui partent dans tous les sens, c’est-à-dire qu’elles se délestent de la chaleur.

Vous avez le microcline qui est triclinique, la phase ordonnée, et souvent la phase de basse température, vous partez vers l’orthose qui est la phase semi-ordonnée, enfin vous avez la sanidine qui est une phase désordonnée. On constate qu’avec l’augmentation de la température, on a l’augmentation du désordre des atomes dans la structure.

Donc, la forme dans laquelle les atomes sont les plus ordonnées est celle de basse température. En relation avec l’entropie, on peut donc affirmer que la structure la plus ordonnée possède la plus basse entropie. On peut donc écrire la relation suivante :

;

 et

L’augmentation de l’entropie dans un système représente l’augmentation du désordre (chaos). On peut maintenant réécrire l’équation qui concerne l’énergie interne :

_{2 1}

_{2 ;}

₂

1. Troisième loi de thermodynamique :

Une structure cristalline (celle qui donne l’arrangement des atomes dans un cristal) approche l’ordre parfait au zéro absolu (-273° Celsius [zéro Kelvin]).

Enfin, la troisième loi de la thermodynamique est strictement liée à la deuxième. On peut donc considérer qu’à 0°K,

Chap. II. Variables thermodynamiques

On peut envisager plusieurs variables thermodynamiques. Il s’agit essentiellement des propriétés macroscopiques : notamment le volume, la pression, la masse, la surface de tension, la viscosité, etc.

Les variables thermodynamiques se subdivisent à deux grandes catégories : on a les variables ou propriétés intensives et extensives.

• Propriétés intensives :

Elles ne sont pas additionnelles et ne dépendent pas de la quantité des matières du système. Nous sommes à la pression atmosphérique. La pression ne change pas selon les individus. On ne doit pas additionner la pression. C’est une variable intensive. C’est comme la température, densité. Mais, à côté de ces variables intensives, on a des paramètres et des variables extensifs.

• Propriétés extensives :

Elles sont additionnelles et dépendent de la quantité des matières du système. Il s’agit des variables additives, fonction de la quantité des matières du système. C’est le cas du volume, de la masse, de l’entropie.

Fonctions auxiliaires de la thermodynamique

1. Fonction H (enthalpie) :

Note : il s’agit d’un facteur intensif ; et nous sommes sur une pression atmosphérique.

Quand on a une éruption volcanique, un magma qui s’est formé en profondeur, évolue vers la surface, et la pression ne reste pas la même. A chaque instantané, la P° et la T° restent les mêmes. Mais, on a une évolution, le cas par exemple d’un magma qui se forme en 5O Km de profondeur, et un autre à 15 Km. La P° et la T° de 50 Km ne seront pas les mêmes que celles de 15 Km. Pour la pression, on parle de refroidissement drastique. Pour étudier ce phénomène-là, on introduit une fonction auxiliaire. L’enthalpie correspond à la quantité des chaleurs fournies par le système.

1. Fonction A (Energie libre de Helmotz) :

.

Dans la pratique, et la fonction enthalpie et l’énergie libre de Helmotz, nous utilisons à peu près, la plus importante pour nous c’est l’énergie libre de Gibbs (G).

L’énergie libre de Gibbs exprime l’énergie en excès de l’énergie interne. Cette énergie est nécessaire pour déclencher une réaction. Si l’on prend de l’eau par exemple, on reste à 25° toute la nuit, il n’y aura pas changement d’un système.

Pour qu’il y ait un changement, il faut qu’il y ait un excès quelque part. Si l’on prend un fut d’essence, on le met dans l’air, il va s’évaporer. Il n’y a pas de problème. Admettons que nous sommes dans une salle, il y a des fumeurs.

Fait par Daniel Litshani