Exercices: Le minéral : notion et classification

Énumérer les conditions qu'un solide doit remplir pour être considéré comme un minéral et appliquer ce critère pour décider si la glace d'un glacier et l'ambre fossile en sont.

Quelle différence y a-t-il entre un minéral et une roche ? Donner un exemple de roche formée d'un seul minéral et un autre de roche formée de plusieurs minéraux différents.

Les silicates sont le groupe de minéraux le plus abondant de la croûte terrestre. Observer le schéma : à gauche apparaît leur unité de base et, à droite, deux unités liées. Expliquer ce qu'est le tétraèdre de $\text{SiO}_4^{4-}$, ce que représente chaque sphère et pourquoi la capacité des tétraèdres à partager des oxygènes donne naissance à autant de silicates différents.

Qu'est-ce que la structure cristalline d'un minéral et comment se manifeste-t-elle à l'extérieur dans le faciès ou la forme de ses cristaux ?

Distinguer un cristal isolé et un agrégat ou masse cristalline. Pourquoi beaucoup d'échantillons de quartz ne présentent-ils pas de faces parfaites ?

Mica, feldspath, amphibole, pyroxène, olivine et quartz sont tous des silicates. Indiquer ce qu'ils ont en commun et nommer au moins deux sous-groupes de silicates selon la disposition de leurs tétraèdres.

Quelle différence y a-t-il entre les minéraux essentiels et les minéraux accessoires d'une roche ? Donner un exemple de chacun dans un granite.

Nommer un minéral représentatif de chacun de ces groupes chimiques : carbonates, sulfates, sulfures, oxydes et halogénures.

Classer les minéraux suivants selon leur groupe chimique et indiquer l'anion caractéristique de chaque groupe : quartz ($\text{SiO}_2$), calcite ($\text{CaCO}_3$), pyrite ($\text{FeS}_2$) et gypse ($\text{CaSO}_4 \cdot 2\ \text{H}_2\text{O}$).

Le graphite et le diamant sont formés exclusivement de carbone et pourtant leurs propriétés sont opposées. Expliquer, à partir de la structure cristalline, comment c'est possible (polymorphisme).

Qu'est-ce qu'une série isomorphe ? Expliquer, à l'aide de la substitution d'ions dans le réseau cristallin, pourquoi l'olivine peut varier en composition entre la forstérite ($\text{Mg}_2\text{SiO}_4$) et la fayalite ($\text{Fe}_2\text{SiO}_4$).

Les micas se clivent en lamelles très fines. Relier cette propriété à leur structure de phyllosilicates, dans laquelle les tétraèdres forment des plans, et expliquer pourquoi on peut les effeuiller avec l'ongle.

Les pyroxènes et les amphiboles sont des inosilicates à chaînes simples et doubles, respectivement. Expliquer comment cette différence structurale se traduit par des angles de clivage différents ($90°$ contre $60°$ et $120°$).

Le quartz, un tectosilicate, n'a pas de clivage et se brise selon une cassure conchoïdale. Expliquer pourquoi son réseau tridimensionnel de tétraèdres le rend si résistant et le comparer à la calcite.

La couleur de l'olivine varie du vert pâle au brun foncé selon sa teneur en fer. Relier cette variation à l'isomorphisme de la série forstérite-fayalite et expliquer pourquoi la couleur n'est pas un critère diagnostique absolu.

Grenat, staurotide et andalousite sont des minéraux typiques des roches métamorphiques. Expliquer pourquoi on les appelle « minéraux index » et quelle information leur présence apporte dans un schiste.

Lors d'une analyse à la microsonde électronique sur un cristal zoné de plagioclase appartenant à une andésite, vous obtenez les données cationiques suivantes entre le cœur et le bord : au cœur, le rapport molaire $\text{Ca}/(\text{Ca}+\text{Na}) = 0,72$ ; au bord le plus externe, ce rapport descend jusqu'à $0,28$.

1. a) Justifier quel mécanisme de substitution ionique couplée a eu lieu au fur et à mesure de la croissance du cristal et expliquer pourquoi il serait électrostatiquement impossible de substituer uniquement $\text{Ca}^{2+}$ par $\text{Na}^+$ sans modifier la proportion de $\text{Si}^{4+}$ et $\text{Al}^{3+}$ dans le réseau tétraédrique.
2. b) Un camarade soutient que le rapport atomique $\text{Si}/\text{Al}$ doit être plus élevé au cœur qu'au bord du cristal. Démontrer pourquoi son affirmation est erronée à partir des formules stœchiométriques de l'anorthite ($\text{CaAl}_2\text{Si}_2\text{O}_8$) et de l'albite ($\text{NaAlSi}_3\text{O}_8$), et en déduire quelle tendance thermique la chambre magmatique a connue pendant la cristallisation.

Dans un laboratoire de pétrologie, on analyse deux échantillons de roche riches en silice ($\text{SiO}_2$) :

• Échantillon A : Il provient d'une cavité dans une coulée rhyolitique émise à plus de $950\text{ }^\circ\text{C}$ ; il contient des microcristaux de tridymite et de cristobalite qui coexistent à température ambiante.

• Échantillon B : Il provient d'un grès quartzitique soumis à un métamorphisme d'ultra-haute pression dans une zone de subduction profonde ; il contient de la coésite partiellement incluse dans des grenats.

1. a) À partir du concept de polymorphisme et des domaines de stabilité dans le diagramme de phases de la silice, justifier pourquoi des minéraux de formule chimique identique apportent des informations géodynamiques si différentes sur la pression ($P$) et la température ($T$) auxquelles ils se sont formés.
2. b) Expliquer pourquoi des phases de haute température ou de haute pression comme la cristobalite et la coésite peuvent persister à température et pression ambiantes sans se transformer immédiatement en quartz $\alpha$, qui est la phase thermodynamiquement stable en surface. Quel facteur cinétique intervient dans cette persistance métastable ?

Lors d'une sortie de terrain sur un affleurement basaltique, vous récoltez une roche mafique avec de nombreux phénocristaux automorphes de couleur vert olive, d'éclat vitreux et de cassure conchoïdale (sans clivage observable), qui rayent le verre ordinaire (dureté autour de $6,5-7$). Une camarade émet l'hypothèse qu'il s'agit d'une variété de quartz vert (prase) ou bien de pyroxène vert.

1. a) Élaborer une argumentation pétrologique et cristallochimique pour écarter totalement la présence de quartz primaire en équilibre avec cette roche mafique, en vous appuyant sur la saturation en silice et sur la réaction qui relie l'olivine au quartz ($\text{Mg}_2\text{SiO}_4 + \text{SiO}_2 \rightleftharpoons 2\text{MgSiO}_3$).
2. b) Justifier quelle propriété physique diagnostique permet de distinguer sans ambiguïté si ces cristaux verts correspondent à de l'olivine (nésosilicate) ou à un clinopyroxène (inosilicate), en expliquant comment cette propriété reflète l'architecture interne de leurs tétraèdres de silicium.

La formule générale des grenats est $X_3Y_2(\text{SiO}_4)_3$. On distingue deux séries principales de solution solide :

• Pyralspites ($Y = \text{Al}^{3+}$ ; $X = \text{Mg}^{2+}, \text{Fe}^{2+}, \text{Mn}^{2+}$).

• Ugrandites ($X = \text{Ca}^{2+}$ ; $Y = \text{Al}^{3+}, \text{Fe}^{3+}, \text{Cr}^{3+}$).

Vous disposez des rayons ioniques suivants en coordinence VIII : $\text{Mg}^{2+} = 0,89\text{ Å}$ ; $\text{Fe}^{2+} = 0,92\text{ Å}$ ; $\text{Mn}^{2+} = 0,96\text{ Å}$ ; $\text{Ca}^{2+} = 1,12\text{ Å}$.

1. a) Appliquer les règles cristallochimiques de substitution isomorphe (différence en pourcentage de rayon ionique et de charge) pour justifier pourquoi il existe une solution solide complète entre le pyrope ($\text{Mg}$), l'almandin ($\text{Fe}$) et la spessartine ($\text{Mn}$), alors qu'entre ceux-ci et le grossulaire ($\text{Ca}$) il existe une nette lacune de miscibilité à des températures modérées.
2. b) Dans une métapélite, on analyse un cristal de grenat à zonation concentrique : le cœur présente un $22\,\%$ molaire de spessartine ($\text{Mn}$) et un $4\,\%$ de pyrope ($\text{Mg}$), tandis que le bord montre un $2\,\%$ de spessartine et un $26\,\%$ de pyrope. Sachant que $\text{Mn}$ entre préférentiellement à basse température et que $\text{Mg}$ requiert des températures élevées, en déduire l'évolution thermique subie par la roche pendant la croissance du cristal et justifier pourquoi le grenat est idéal pour enregistrer cette histoire métamorphique.

Lors d'un sondage dans des sédiments marins du Crétacé, on extrait des fossiles d'ammonites dont les coquilles d'origine étaient en aragonite (densité $2,93\text{ g/cm}^3$, système orthorhombique). L'analyse pétrographique révèle que la morphologie externe et les lignes de suture sont parfaitement conservées, mais que la masse minérale est entièrement constituée d'une mosaïque de calcite spathique (densité $2,71\text{ g/cm}^3$, système trigonal).

1. a) Interpréter le processus minéralogique survenu (pseudomorphose par inversion polymorphique) et justifier, à partir de la relation entre densité, volume molaire et pression, pourquoi l'aragonite est la phase stable à haute pression alors que, dans les conditions de surface, elle est métastable et tend à se transformer en calcite.
2. b) Si, dans une roche métamorphique du faciès des schistes bleus, on trouve de l'aragonite primaire préservée sans transformation en calcite, déduire quel type de trajectoire d'exhumation (refroidissement rapide, décompression lente ou décompression isotherme chaude) la roche a dû subir pour éviter que l'aragonite ne se transforme en calcite lors de sa remontée vers la surface.

Au laboratoire, on analyse trois minéraux silicatés inconnus (M1, M2 et M3). On obtient les résultats suivants :

• M1 : rapport cationique $\text{Si}:\text{O} = 1:4$ ; pas de plans de clivage (cassure conchoïdale) ; densité élevée ($3,3\text{ g/cm}^3$).

• M2 : rapport cationique $\text{Si}:\text{O} = 2:5$ ; clivage parfait et facile en lamelles fines et flexibles ; densité moyenne ($2,8\text{ g/cm}^3$).

• M3 : rapport cationique $\text{Si}:\text{O} = 1:2$ ; pas de clivage ; dureté 7 sur l'échelle de Mohs et densité faible ($2,65\text{ g/cm}^3$).

1. a) Déduire en justifiant à quel sous-groupe structural de silicates appartient chaque minéral, en fonction du nombre d'atomes d'oxygène partagés par chaque tétraèdre $[\text{SiO}_4]^{4-}$, et proposer un exemple de minéral représentatif pour chacun.
2. b) Justifier pourquoi la présence de liaisons chimiques anisotropes (fortes dans deux directions et très faibles dans la troisième) explique le clivage lamellaire de M2, alors que l'agencement tridimensionnel isotrope de M3 empêche la formation de plans de rupture préférentiels.

On étudie la fraction sableuse de deux bassins sédimentaires distincts issus de l'érosion d'un même batholite granitique composé de quartz, de feldspath potassique, de plagioclase et de biotite :

• Bassin 1 : le sable contient $50\,\%$ de quartz anguleux, $35\,\%$ de plagioclase et de feldspath potassique peu altérés et $15\,\%$ de biotite fraîche.

• Bassin 2 : le sable contient $97\,\%$ de quartz bien arrondi et à peine $3\,\%$ de feldspath potassique résiduel, sans plagioclase ni biotite détectables.

1. a) Justifier la disparition différentielle des minéraux dans le bassin 2 en appliquant la série de Goldich, et la relier aux conditions thermodynamiques de cristallisation dans la série de Bowen : pourquoi les minéraux formés à plus haute température dans le magma sont-ils les plus vulnérables à l'altération superficielle ?
2. b) Déduire les conditions environnementales de chaque bassin (climat aride/froid ou humide/chaud, relief et longueur du transport sédimentaire) à partir du concept de maturité minéralogique et texturale.

Dans une auréole de métamorphisme de contact développée sur des schistes pélitiques, l'étude pétrographique montre qu'à l'approche du pluton magmatique la muscovite disparaît progressivement en réagissant avec le quartz selon la réaction :

Dans cette même zone de l'auréole, la biotite ($\text{K}(\text{Mg},\text{Fe})_3(\text{AlSi}_3\text{O}_{10})(\text{OH})_2$) reste stable en équilibre avec le quartz.

1. a) Expliquer à l'échelle cristallochimique pourquoi la biotite présente une couleur sombre et un net pléochroïsme au microscope polarisant, alors que la muscovite est incolore/claire, en indiquant dans quelles positions octaédriques de la couche se situent les cations responsables de cette différence.
2. b) Un élève soutient que, les deux micas étant des phyllosilicates de même rapport $\text{Si}:\text{O}$, ils devraient se décomposer à la même température. Réfuter son point de vue en justifiant la différence de stabilité thermique à partir de la distinction entre micas dioctaédriques (muscovite) et trioctaédriques (biotite), et interpréter quel changement de phase de l'aluminosilicate ($\text{Al}_2\text{SiO}_5$) on s'attendrait à trouver dans ce contexte de basse pression.