TD 7 Ractions minralogiques et bilans chimiques Basalte

TD 7 - Réactions minéralogiques et bilans chimiques

Basalte: composition minéralogique Echantillon macroscopique • Roche sombre, dure • Quelques cristaux visibles à l’œil nu Au microscope: • Quelques grands cristaux: – Plagioclases: blanc/gris/noir – Pyroxènes: jaunes-rose – Olivine: multicolore… • Dans une matrice faite de milliers de microcristaux (les mêmes que les gros)

Basalte: composition minéralogique Ici on s’intéresse aux plagioclases, c’està-dire aux minéraux gris. Ils sont très reconnaissables au microscope: rayures noires et blanches.

Réaction avec l’eau de mer Contact direct basalte -eau de mer. Infiltration de l’eau au contact des minéraux + augmentation de la température (350°C). = Réaction des minéraux avec l’eau de mer et leur composition chimique change.

Réaction avec l’eau de mer Vie abondante en relation avec les fumeurs noirs Exemple des vers tubicoles vivant directement sur les fumeurs !

Réaction avec l’eau de mer Formation de très nombreux types de minéraux : Albite et amazonite Mésolite Sylvite Gypse Opale Rhodochrosite

Formule structurale Formule générale des silicates Xm Yn (Zp Oq) Wr X ions faiblement chargés de grande taille ex: Ca 2+, Na+, K+, Ba 2+ Y ions bi ou trivalents de taille moyenne ex: Mg 2+, Fe 3+, Mn 2+, Al 3+ Z ions fortement chargés de petite taille ex: Al 3+, Si 4+ O oxygène W ions négatifs OH-, Cl-, F-

Formule structurale Formule générale des silicates orthose KAl. Si 3 O 8 Xm Yn (Zp Oq) Wr FELDSPATHS Na. Al. Si 3 O 8 albite 1 - Les minéraux ne sont jamais purs, ce sont des mélanges de pôles purs exemple: cas du feldspath othose – pôle pur: KAl. Si 3 O 8 – en réalité on peut aussi avoir du Na: (K, Na)Al. Si 3 O 8 Feldspaths alcalins (mélange en proportions variables d’orthose et d’albite) Ca. Al 2 Si 2 O 8 anothite Calculer la formule structurale = connaître précisément les proportions de Na et K

Formule structurale Formule générale des silicates orthose KAl. Si 3 O 8 Xm Yn (Zp Oq) Wr FELDSPATHS Na. Al. Si 3 O 8 albite 2 – Cas de l’aluminium: – Al localisé en site octaédrique (ions X et Y) ou tétraédrique (ions Z) – Quand l'analyse chimique indique un nombre de Si insuffisant pour atteindre le nombre de cations, de l'Al va compléter ce nombre dans le site tétraédrique – Attention à respecter la neutralité – site tétraédrique: Si 4+ Al 3+ – site octaédrique: X+ X 2+ Ca. Al 2 Si 2 O 8 anothite Calculer la formule structurale = connaître les proportion d’Al en site tétraédrique et en site octaédrique

Formule structurale • Déterminer la formule structurale d'un silicate (par exemple) connaître la répartition des cations connaître la concentration des cations • Il existe une méthode simple qui permet à partir d'une analyse chimique de calculer toutes les formules structurales des silicates. Les formules obtenues sont électriquement neutres.

Formule structurale du plagioclase Pour connaître la composition chimique du plagioclase on utilise une microsonde électronique (Schéma: Université de Montpellier)

Formule structurale du plagioclase Source d’électrons Détecteur de rayons X Faisceau d’électrons Rayons X échantillon Pour connaître la composition chimique du plagioclase on utilise une microsonde électronique (Schéma: Université de Montpellier) Principe: Faisceau d’électrons Interaction avec l’échantillon émission de rayons X détection de la longueur d’onde des rayons X

Formule structurale du plagioclase Source d’électrons Détecteur de rayons X Faisceau d’électrons • Chaque longueur d’onde correspond à un élément reconnaissance de l’élément • Intensité: quantité de chaque élément Rayons X Intensité échantillon Longueur d’onde (Å)

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g Notations Si. O 2 44. 4 Al 2 O 3 35. 87 Ca. O 19. 5 Na 2 O 0. 16 % oxydes 99. 93 g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol mol n. X n. O Nb de cations/Nb total d’oxygènes On obtient la formule chimique du plagioclase, c'est à dire le poids en éléments majeurs ramenés en poids d'oxydes et à 100%. Consigne: faire les calculs uniquement pour la silice Si. O 2

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol Notations Si. O 2 44. 4 Al 2 O 3 35. 87 Ca. O 19. 5 Na 2 O 0. 16 % oxydes 99. 93 60 mol n. X n. O Nb de cations/Nb total d’oxygènes

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol Notations Si. O 2 44. 4 Al 2 O 3 35. 87 Ca. O 19. 5 Na 2 O 0. 16 % oxydes 99. 93 60 0. 740 mol n. X n. O Nb de cations/Nb total d’oxygènes

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol Notations Si. O 2 44. 4 Al 2 O 3 35. 87 Ca. O 19. 5 Na 2 O 0. 16 % oxydes 99. 93 60 0. 740 mol n. X n. O 0. 740 1. 480 Nb de cations/Nb total d’oxygènes

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol Notations Si. O 2 44. 4 Al 2 O 3 35. 87 Ca. O 19. 5 Na 2 O 0. 16 % oxydes 99. 93 60 0. 740 mol n. X n. O 0. 740 Nb de cations/Nb total d’oxygènes 1. 480 Consigne: faire les mêmes calculs pour Al 2 O 3, Ca. O et Na 2 O

Formule structurale du plagioclase • Consigne: faire les mêmes calculs pour Al 2 O 3, Ca. O et Na 2 O

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol Notations mol n. X n. O Si. O 2 44. 4 60 0. 740 1. 480 Al 2 O 3 35. 87 102 0. 352 0. 704 1. 055 Ca. O 19. 5 56 0. 348 Na 2 O 0. 16 62 0. 003 0. 006 0. 003 % oxydes 99. 93 Nbr cations / nbr total d’oxygènes • formule théorique des plagioclases: Naw. Cax. Aly. Siz. O 8 Nb de cations/Nb total d’oxygènes

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol Notations mol n. X n. O Nb de cations/Nb total d’oxygènes x 8 Si. O 2 44. 4 60 0. 740 1. 480 2. 051 Al 2 O 3 35. 87 102 0. 352 0. 704 1. 055 1. 949 Ca. O 19. 5 56 0. 348 0. 970 Na 2 O 0. 16 62 0. 003 0. 006 0. 003 0. 014 % oxydes 99. 93 2. 886

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol Notations mol n. X n. O Nb de cations/Nb total d’oxygènes Si. O 2 44. 4 60 0. 740 1. 480 2. 051 Al 2 O 3 35. 87 102 0. 352 0. 704 1. 055 1. 949 Ca. O 19. 5 56 0. 348 0. 970 Na 2 O 0. 16 62 0. 003 0. 006 0. 003 0. 014 % oxydes 99. 93 2. 886 Formule structurale Na 0. 014 Ca 0. 970 (Al 1. 949 Si 2. 051 O 8)

Formule structurale du plagioclase Formule chimique: Na 0. 014 Ca 0. 970 (Al 1. 949 Si 2. 051 O 8) Vérification des calculs (rapide): pôles purs du plagioclase: Ca (Al 2 Si 2 O 8) et Na (Al Si 3 O 8) Ca et Na doivent être entre 0 et 1 Na + Ca = 1 Si doit être entre 2 et 3 Al doit être entre 1 et 2 Al + Si = 4

Formule structurale du plagioclase Formule chimique: Na 0. 014 Ca 0. 970 (Al 1. 949 Si 2. 051 O 8) Vérification des calculs (plus longue): Somme des cations (+): 0. 014 x 1 + 0. 970 x 2 + 1. 949 x 3 + 2. 051 x 4 = 16. 005 Somme des anions (-): 8 x 2 = 16 Aux arrondis près, il y a bien égalité entre les plus et les moins: la formule est équilibrée.

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g Notations Si. O 2 67. 69 Al 2 O 3 20. 35 Ca. O 0. 08 Na 2 O 11. 79 % oxydes 99. 91 g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol mol n. X n. O Nb de cations/Nb total d’oxygènes Consignes: • déterminer la formule structurale du plagioclase sodique (riche en Na+) de la même manière que précédemment • vérifier la validité des calculs

Formule structurale du plagioclase • Consignes: • déterminer la formule structurale du plagioclase sodique (riche en Na+) de la même manière que précédemment • vérifier la validité des calculs

Formule structurale du plagioclase Poids Masse d’oxyde molaire Unités g g/mol Quantité de Quantité matière cations Xa+ d’oxygène pour Xa. Ob Ob mol Notations mol n. X n. O Nb de cations/Nb total d’oxygènes Si. O 2 67. 69 60 1. 128 2. 256 2. 963 Al 2 O 3 20. 35 102 0. 200 0. 399 0. 599 1. 048 Ca. O 0. 08 56 0. 001 0. 004 Na 2 O 11. 79 62 0. 190 0. 380 0. 190 0. 999 % oxydes 99. 91 3. 046 Formule chimique Na 0. 999 Ca 0. 004 (Al 1. 048 Si 2. 963 O 8)

Formule structurale du plagioclase Formule chimique: Na 0. 999 Ca 0. 004 (Al 1. 048 Si 2. 963 O 8) Vérification des calculs (rapide): pôles purs du plagioclase: Ca (Al 2 Si 2 O 8) et Na (Al Si 3 O 8) Ca et Na doivent être entre 0 et 1 Na + Ca = 1 Si doit être entre 2 et 3 Al doit être entre 1 et 2 Al + Si = 4

Formule structurale du plagioclase Formule chimique: Na 0. 999 Ca 0. 004 (Al 1. 048 Si 2. 963 O 8) Vérification des calculs (plus longue): Somme des cations (+): 0. 999 x 1 + 0. 004 x 2 + 1. 048 x 3 + 2. 963 x 4 = 16. 003 Somme des anions (-): 8 x 2 = 16 Aux arrondis près, il y a bien égalité entre les plus et les moins: la formule est équilibrée.

Bilan Na 0. 999 Ca 0. 004 (Al 1. 048 Si 2. 963 O 8) Na 0. 014 Ca 0. 970 (Al 1. 949 Si 2. 051 O 8) 100% K Orthose 100% Na Albite 100% Ca Anorthite

Réaction avec l’eau de mer Contact direct basalte – eau de mer. Infiltration de l’eau, augmentation de la température (350°C). Les minéraux (plagioclases notamment) réagissent avec l’eau de mer et leur composition chimique change.

Formule structurale du plagioclase La composition chimique du plagioclase varie entre deux pôles: Na+ Ca 2+ plagioclase calcique Ca (Al 2 Si 2 O 8) plagioclase sodique Na (Al Si 3 O 8) Attention, le plagioclase réel a toujours une composition intermédiaire!!!

Formule structurale du plagioclase La composition chimique du plagioclase varie entre deux pôles: Na+ Ca 2+ plagioclase calcique Ca (Al 2 Si 2 O 8) plagioclase sodique Na (Al Si 3 O 8) Exemple: Na 0. 25 Ca 0. 75 (Al 1. 75 Si 2. 25 O 8)

Equation de la réaction plagioclase calcique Ca (Al 2 Si 2 O 8) + Quels réactifs? plagioclase sodique Na (Al Si 3 O 8) + Quels produits?

Equation de la réaction plagioclase calcique Ca (Al 2 Si 2 O 8) + Na+ Si. O 2 plagioclase sodique Na (Al Si 3 O 8) + Ca 2+ • On ne tient pas compte de l’eau • source de sodium: l’eau de mer • source de Si. O 2: le magma

Equation de la réaction plagioclase calcique Ca (Al 2 Si 2 O 8) + 4 Si. O 2 + 2 Na+ plagioclase sodique 2 Na (Al Si 3 O 8) + Ca 2+ • On ne tient pas compte de l’eau • source de sodium: l’eau de mer • source de Si. O 2: le magma Chaque plagioclase calcique qui réagit consomme 2 ions sodium (Na +).

Flux de sodium piégé Données: • Production de croute océanique: P= 6 x 10 13 kg/an • Quantité de plagioclases qui réagissent au sein de la croûte: taux= 4% Question: Masse de Na+ piégé quand 1 kg de plagioclases réagissent? M(plagio. Ca) = 278 g/mol M(Na+) = 23 g/mol

Flux de sodium piégé Données: • Production de croute océanique: P= 6 x 10 13 kg/an • Quantité de plagioclases qui réagissent au sein de la croûte: taux= 4% Question: Masse de Na+ piégé quand 1 kg de plagioclases réagissent? Ca (Al 2 Si 2 O 8) + 4 Si. O 2 + 2 Na+ 2 Na (Al Si 3 O 8) + Ca 2+ Pour une mole de plagioclase calcique, on piège 2 moles de sodium.

Flux de sodium

Flux de sodium

Flux de sodium Flux entrant Données: • Flux aqueux des rivières: B = 3, 7 x 1016 kg/an • Teneur des rivières en Na+: c = 11 ppm ppm: partie par million soit 11 mg de Na+ pour 1 kg d’eau

Flux de sodium

Chimie de l’eau de mer Flux de sodium piégé: Fp = 3, 96 x 1011 kg/an Flux de sodium apporté: Fa = 4, 07 x 1011 kg/an Implication pour la chimie des océans? Na+ OCEAN Na+

Chimie de l’eau de mer Flux de sodium piégé: Fp = 3, 96 x 1011 kg/an Flux de sodium apporté: Fa = 4, 07 x 1011 kg/an Implication pour la chimie des océans? • Bilan équilibré • Salinité des océans régulée processus similaire pour contrôler le bilan du chlore dans les océans: pyroxènes minéraux magnésiens hydratés (ex: amphiboles) • Environnement marin stable pour la biomasse marine. Na+ OCEAN Na+

A la semaine prochaine !