Cours 1 Géologie PDF

1 - Origine des éléments chimiques Il y a trois stades de formation des éléments chimiques dans l’univers : - La nucléosynthèse primordiale - La nucléosynthèse stellaire (Il a fallu attendre la phase stellaire pour former des éléments notamment l’hélium) - La nucléosynthèse...

1 - Origine des éléments chimiques Il y a trois stades de formation des éléments chimiques dans l’univers : - La nucléosynthèse primordiale - La nucléosynthèse stellaire (Il a fallu attendre la phase stellaire pour former des éléments notamment l’hélium) - La nucléosynthèse explosive La nucléosynthèse primordiale : pendant la phase cosmique, une soupe primitive composée de particules élémentaires s’associe pour former les premiers protons, puis les premiers noyaux atomiques. - La phase cosmique prend fin 380 000 ans après le Bigbang - L’univers devient transparent et les photons commencent à voyager Au début de la phase stellaire (univers dit « moderne », 400Ma après le Bigbang) : formation des étoiles et galaxies rendant possible la synthèse d’autres éléments C’est la nucléosynthèse stellaire : réactions thermonucléaires au cœur des étoiles - Etoiles de 1 à 5 masses solaires : production d’Hélium à partir d’hydrogène - Etoiles de 20 masses solaires : production des atomes plus lourds et dispersion dans l’univers par explosion (supernova) L’atome le plus abondant est le moins lourd Il a fallu attendre 300 mille ans avant que ce forme les atomes. Les premiers sont l’Hydrogène et l’hélium. Il n’y a pas eu d’élément physique former par le Bigbang Le Carbone et le fer sont les plus lourds, car ils ont été formés après Ce sont dans les étoiles que les éléments chimiques ont été formés, dont les atomes du corps humain par conséquent : Quel est l’âge de nos atomes ? Nos atomes ont 13,7 Ga 2 – La formation du système solaire et de la Terre 2.1 Le système solaire Derrière, il y a la ceinture de Kuiper tout à droite Modèle de formation du système solaire - Un nuage de gaz et de poussière s’effondre à cause de la gravité, c’est la nébuleuse proto-solaire - La rotation induite par la contraction de la nébuleuse forme un disque aplati  - Les éléments non volatils se condensent pour donner naissance aux planètes dans la partie externe du disque, alors que la masse centrale se contracte pour former le soleil - Accrétion des planétésimaux puis des protoplanètes Accrétion = ajout de matière (magma qui s’ajoute à du magma, ajout de masse) Les modèles montrent qu’il faut environ 100 Ma pour former le système solaire Argument en faveur de ce modèle de formation : La composition des chondrites (météorites non différenciées) est semblable à celle de la couronne solaire et de la terre globale 2.2 Accrétion et différenciation de la Terre Accrétion = ajout de matière (magma qui s’ajoute à du magma, ajout de masse) Accrétion homogène et différenciation de la Terre en enveloppes possédant des compositions chimiques différentes - Accrétion de poussières de même composition - La Terre en fusion subit une différenciation - Les éléments les plus lourds (fer) migrent vers le centre par gravité - Les éléments silicatés un peu moins lourds restent en périphérie Les éléments volatils migrent vers la surface pour former l’atmosphère C’est la force qui attire la matière A retenir : comment s’est former la terre ? Par deux processus : accrétion (ajout de matière) et différenciation (élément les plus lourds (fer, nickel) migrent au fond de la terre et les éléments les plus légers ou qui ont les particularités (masse importante potassium, sodium, aluminium) migrent vers l’extérieur Le noyau est de 2900 de km de profondeur Rho au lieu de d (c’est la densité) 2.3 Composition chimique de Terre Composition chimique de la terre : Hydrosphère (océan) = l’eau et sel Croute et manteau = oxygène et silicium Terre = oxygène et silicium en premier Silicate (SiO4)4- Silicium Si Silice SiO2 A retenir : le minéral principal de la terre n’est pas connu et pas vu car inaccessible et c’est le plus abondant, contient bcp de magnésium car il est dans le manteau (manteau = bcp magnésium). Cependant, il n’y a pas bcp de magnésium à la surface 2.4 Composition chimique de la Matière Organique 3 - Les minéraux 3.1 Définition Minéral = solide inorganique naturel de composition chimique définie issu de processus géologique ou cosmologique ; c’est le principal constituant des roches (matière inorganique) - État amorphe : atomes désordonnés (ex : opale SiO2) (désorganisé) - État cristallin : atomes constitutifs sont ordonnés dans l’espace (ex : quartz, SiO2) (ordonné) Le Magma a le temps de se refroidir et les atomes ont le temps de s’organisés Cristal : solide chimiquement homogène, délimité par des faces planes qui s’intersectent selon des angles constants (organisation dans l’espace) - Réseau cristallin : répétition dans les 3 directions de l’espace de la maille élémentaire  - La maille élémentaire : le plus petit des parallélépipèdes de matière cristallisée qui conserve les propriétés géométriques, la composition chimique du cristal (la + petite forme / morceau qui définit le cristal et va se répéter dans les 3 dimensions de l’espace selon un réseau cristallin) - Le motif : contenu atomique de la maille 3.2 Les systèmes cristallins 7 systèmes cristallins définis par 7 mailles élémentaires : - Longueurs a, b, c - Angles 𝛼, 𝛽, 𝛾 - Axes, plans, centres de symétries Système cristallin = façon géométrique avec laquelle les atomes se répètent dans l’espace n’est pas infinie (que de 7 façons systèmes) 5 minéraux à reconnaitre la forme Sel = cube Grenat = cube Quartz = regarder tableau 3.3 Les liaisons interatomiques Liaisons covalentes - Deux atomes mettent en commun deux électrons de leur couche externe pour former un doublet électronique (liaison forte) - Ces liaisons fortes donnent sa dureté au diamant, utilisé dans l’industrie pour découper des matériaux Liaisons ioniques  - Les ions résultent d’un transfert d’électron d’un atome vers un autre - Na est dit électropositif car il tend à fournir un électron, c’est un cation (+) - Cl est dit électronégatif car il tend à acquérir un électron, c’est un anion (-) Importance de la taille des ions : - Instable : le cation éloigne les anions - Assez stable : le cation d’insère dans l’espace - Stable : le cation est plus petit, les anions se touchent Liaisons résiduelles / de Van der Waals - Liaisons faibles entre des atomes ou molécules neutres dont les couches externes sont complètes (ex : le graphite) - Ces sont ces liaisons faibles entre les feuillets de graphène qui permettent de laisser une trace quand on utilise un crayon Le rayon ionique correspond à la distance (Angstrom) existante entre le noyau et la partie externe de son nuage électronique. - Cations : plus la charge positive est grande (- d’électrons), plus le rayon ionique est petit (et inférieur au rayon atomique) - Anions : plus la charge négative est grande (+ d’électrons), plus le rayon ionique est grand - 1 Angstrom = 10-7 mm La grandeur du rayon ionique (variable) et l’importance de sa charge électrique => forme des minéraux = éléments compatibles = magnésium et fer Élément incompatible Dans un édifice ionique, chaque cation est lié à un certain nombre d’anions voisins => nombre de coordination Ce nombre dépend du rapport des rayons ioniques Autour de chaque cation, les anions s’organisent en polyèdres de compacité maximale 4 – Classification des minéraux 4.1 Les minéraux silicatées Les minéraux silicatés représentent 95% des minéraux de l’écorce terrestre. L’oxygène (environ 50%) et le silicium (environ 25%) sont des éléments majeurs de la croûte terrestre Ils sont caractérisés par la présence d’un tétraèdre composé de silicium et d’oxygène (SiO4)4- La terre est formée à 95% de minéraux qui sont des silicates = sur terre il y a essentiellement du silicium et de l’oxygène Tétraèdre = base des éléments sur terre = très stable Les tétraèdres ne sont pas éloignés ils s’assemblent souvent et forme des édifices qui ont des conséquences quant à leur forme ≠ de silicium = ≠ magmatique Nésosilicates Ajout de cations (l’olivine (le minéral le plus abondant sur terre (Mg, Fe)2 Si02 et grenat est un exemple de nésosilicate) Contient peu de silice et est compacter Sorosilicates = pas à retenir Quartz = le minéral le + riche en silicium et le plus pauvre en... Important : Inosilicates = pyroxènes (chaine) et amphiboles (ruban) On met des radicaux OH entre Phyllosilicates = couche = phylum Le chlorite contient + eau que les amphiboles Tecto = charpente = tétraèdre : tectosilicates Deux familles de minéraux essentielle = quartz et feldspaths La famille minéralogique du quartz est un silicate Tectosilicates : Cas des feldspaths Les feldspaths sont des tectosilicates où l’aluminium se substitue au silicium (aluminosilicate). L’instabilité électronique causée par cette substitution (Al 3+ vs Si4+) est compensée par l’ajout d’ions K+, Na+, Ca2+ C’est là que va l’aluminium (métaux le plus légers) que dans la croute terrestre (6-7%) Orthose albite et labradorite Basse t° = difficile à détruire Haute t° = facile à détruire Quartz = difficile à détruire La structure des minéraux silicatés influence leur température de cristallisation (dans un magma) et leur ordre d’altération (pour les roches sédimentaires) – qui sont inversés Les roches se cristallisent lorsque la pression augmente car les minéraux sont peu compressibles. Ils vont donc être remplacé par des minéraux plus denses avec un plus petit volume. De quelle manière le tétraèdre de base commun à tous les silicates peut se stabiliser électroniquement : par ajout de cations, par polymérisation 4.2 Les minéraux non silicatés Les minéraux non silicatés sont rares, ils représentent moins de 5% des minéraux, mais possèdent souvent des propriétés physicochimiques utiles dans l’industries - Éléments natifs : les métaux (or Au, argent Ag), le carbone (diamant, graphite) - Les sulfures (XS) où X peut être Pb, Zn, Fe, Cu, As (pyrite) - Les sulfates (XSO4) : BaSO4 (barytine), CaSO4 (gypse) (Gypse = famille des sulfates) Cristaux de gypse (CaSO4) pluri métriques dans la mine de Naica – Les mines, Paris - Les oxydes et hydroxydes (XO et XOH), Ti02 (rutile), Al2O3 (corindon = rubis, saphir) Corindon – les mines, Paris - Les carbonates (XCO3) : calcite (CaCO3) ; malachite (CuCO3) - Les phosphates (XPO4) - Les borates (XBO4) - Les halogénures (qui contiennent Cl, F, I, Br), sel gemme (halite NaCl), sylvite KCl = sylvite (deux minéraux que l’on peut lécher pour le déterminer) = sel 5.1 La dureté (critère absolu) à connaitre surtout avec des flèches La dureté d’un minéral reflète sa capacité de résistance à la destruction mécanique 5.2 Les clivages (critères absolu) Certains minéraux se fracturent suivant les plans privilégiés (plans de clivage), qui correspondent à des plans de moindre cohésion dans le réseau cristallin Micas noir et micas blanc en ont qu’un seul => important Deux plan clivages = le feldspath, pyroxène => pas à apprendre Sel de table = trois plans de clivage => pas à apprendre 5.3 Les macles (critère absolu) Les macles correspondent à l’association de cristaux d’une même espèce minérale orientés selon des règles cristallographiques précises Macle de Carlsbad et macle en queue d’aronde => important 5.4 L’effervescence à l’HCL (critère absolu) Les carbonates réagissent à l’HCl et un dégazage de CO2 se produit : La calcite non Si effervescente avec quelque goutte de HCL pas de quartz ni de feldspath ni de micas mais de la calcite 5.5 Autres critères (non absolue) - La couleur : parfois caractéristique, mais souvent due à des impuretés, des éléments chimiques à très faible concentration - La trace : sur une plaque en porcelaine, certains minéraux laissent une trace pouvant être d’une couleur différente que celle du minéral (ex : hématite) - La forme - La transparence - L’éclat : métallique, gras, vitreux, ou terne - La cassure Le même minéral peut avoir toutes ses formes donc pas la forme de son cristallin toujours L’éclat et cassure peut être intéressant mais pas absolue