COURS GEOCHIMIE L2

19 062 vues

Publié le

ce cours est destiné aux étudiants géologues niveau licence ou BTS 2. il renferme des principes, formules pour mieux comprendre le cours de géochimie.

Pour le télécharger, contactez nous au +225 60956730 ou leroiani@gmail.com

Publié dans : Sciences
8 commentaires
37 j’aime
Statistiques
Remarques
Aucun téléchargement
Vues
Nombre de vues
19 062
Sur SlideShare
0
Issues des intégrations
0
Intégrations
1 542
Actions
Partages
0
Téléchargements
337
Commentaires
8
J’aime
37
Intégrations 0
Aucune incorporation

Aucune remarque pour cette diapositive

COURS GEOCHIMIE L2

  1. 1. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 1
  2. 2. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 2 PRESENTATION Ce cours est destiné aux étudiants de 2ème année de Géologie des Mines et du Pétrole (GMP). Il présente les éléments fondamentaux de la géochimie aux étudiants non initiés avec cette discipline. L'ouvrage comporte le nécessaire pour faire le calcul pratique en termes de principes, méthodes, formules. Dans ce contexte, il représente un aide mémoire couvrant les chapitres du programme officiel, et laissant à l'auditeur l'occasion de se concentrer sur les notions de base plutôt que copier à la hâte des formules et expressions peux significatives. L'enseignant, se trouvera libérer de la nécessité d'écrire au tableau la majorité de ce qu'il prononce, il aura alors l'occasion de se concentrer sur l'aspect physique et conceptuel. Les intérêts pédagogiques, scientifiques et relationnels seront parmi les retombées immédiates de cette approche. Sans aller plus loin, notons que la disponibilité du document ne doit décourager l'étudiant à assister au cours orale, car jamais un écrit ne peut remplacer l'apprentissage de main de maître. Enfin, s'agissant de la première version du document, nous serons reconnaissant au lecteur ses corrections de l'écrit, ses remarques, ainsi que ses suggestions. Service Leroini leroiani@gmail.com
  3. 3. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 3 CHAPITRE I : GENERALITES INTRODUCTION La Géochimie est l’étude de la chimie de la terre ou du moins de ses enveloppes accessibles à l’homme. Pour y parvenir, elle met en œuvre les outils et les concepts de la chimie et de la géologie. C’est une discipline des géosciences. Elle étudie la composition chimique et isotopique des matériaux géologiques (roche, eau, sol, gaz, minéraux…..), et plus particulièrement, le comportement et le caractère des différents éléments dans l’écorce terrestre, leur migration, dispersion, concentration et abondance. La géochimie offre de nos jours, une vision globale de l’abondance, de la distribution et du comportement des éléments chimiques dans la plus part des processus géologiques qui ont marqué notre planète. La géochimie permet une classification et une compréhension de plus en plus fine de la genèse et de la dynamique des systèmes géologiques et des cycles. La connaissance de ces cycles offre la possibilité de reconstituer l’histoire de la terre, de comprendre les phénomènes et de mieux gérer les ressources et les matériaux terrestre. La géochimie occupe de nos jours une place privilégiée dans l’exploration minière. Elle aide à la localisation des gisements tant secondaires que primaires. Selon la nature de l’échantillon prélevé, on distingue la lithogéochimie (roche saine), la pédogéochimie (sol), le Stream sédiment (sédiment de ruisseau), la biogéochimie (êtres vivants : animaux et végétaux), la géochimie atmosphérique (gaz, air) et l’hydrogéochimie (eau). 1 – L’histoire de la Géochimie Le mot géochimie fut créé en 1838 par Schönsbein qui découvrit l’ozone. Déjà les premiers chimistes comme Lavoisier, tentaient de comprendre l’histoire des éléments chimiques. Mais ce sont les minéralogistes qui furent à la source de grands progrès. L’Américain W. Clarke publia en 1889, les premières études sur la composition moyenne de l’écorce terrestre. Le russe V. Vernadski proposa en 1917 une classification géochimique des éléments qui fut rejeté, car basée sur plusieurs critères. La classification moderne est celle de Goldschmidt en relation avec le système périodique. Elle s’appuie sur les affinités et la structure électronique des différents éléments de la terre. La Géochimie à connu un essor important dans la seconde moitié du XX siècle grâce aux isotopes et le développement d’outils performants pour le dosage et l’analyse quantitative des éléments chimiques et de leurs isotopes.
  4. 4. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 4 Grâce à la géochronologie isotopique, le temps est devenu mesure, durée et histoire géologique ont enfin un calendrier. Aujourd’hui, la géochimie est devenue une science complète applicable à tous les domaines de la géoscience. 2- Quelques définitions ou terminologie 2-1 Géochimie : Science qui étudie l’abondance, la distribution, la migration et l’accumulation des éléments chimiques dans la terre (lithosphère, atmosphère, biosphère et hydrosphère). 2-2 Clarke : Teneur moyenne d’un élément chimique dans la lithosphère solide 2-3 Fond géochimique ou Background ou Teneur de fond : Abondance normale d’un élément dans un environnement étudié en dehors de tout apport extérieur. On parle de Fond Local ou Local Background, lorsque cette teneur se limite à une zone bien délimité et de Fond Régional, lorsque cette anomalie couvre une grande étendue et ayant une certaine unicité géochimique. 2-4 Teneur : Contenu exact déterminé d’un élément ou d’une substance dans un corps donné. On l’exprime en g/t, en ppm, %...... 2-5 Teneur limite ou Teneur de Coupure : Teneur en dessous de laquelle une mine ne peut être exploité économiquement. 2-6 Anomalie géochimique : Teneur la plus élevée ou la plus basse par rapport au fond géochimique. 2-6-1 Anomalie allogène ou Anomalie de surimposition : Variation de la teneur de fond causée par un apport extérieur d’origine quelconque (chimique ou mécanique). 2-6-2 Anomalie authigène ou Anomalie de répartition : Variation de la teneur de fond causée par la modification de la répartition des éléments chimiques dans un milieu en dehors de tout apport extérieur en ces éléments. 2-6-3 Anomalie de fuite : Variation de la teneur de fond liée aux circulations des éléments dans les accidents tectoniques. Définition exempte d’hypothèse génétique. 2-6-4 Fausse anomalie : Variation accidentelle de la teneur qui peut être causée par une pollution, une contamination par des déblais d’une exploitation minière ancienne ou récente. 2-6-5 Anomalie formationnelle : Variation de la teneur de fond provoquée par un élément lié de façon préférentielle à une formation géologique Cu dans les roches basiques, Zn dans les dolomies. 2-7 Effets pédogénétiques : Variations entre les teneurs de la roche et les teneurs d’un horizon.
  5. 5. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 5 2-8 Sol résiduel : sol resté sur place après altération de la roche mère, on l’appelle altérite 2-9 Elément indicateur ou indice : Elément ou un groupe d’éléments étroitement associés à un élément recherché dont la détermination est plus facile et permettant de présager de l’existence ou non de l’élément à l’endroit donné. Par contre un élément accompagnateur est un élément facilement détectable que l’on retrouve généralement lié au minerai et dont la zone de dispersion est plus large que celle de l’élément indicateur. Type de minéral Eléments indicateurs Eléments accompagnateurs Porphyre cuprifère (grands cristaux de feldspath dans une pate aphanitique contenant du cuivre) Cu, Mo Zn, Mn, Au, Rb, Te, Ti Sulfures complexes Cu, Zn, Ag, Au Hg, As, SO4, Sb, Se, Cd Veine (filon) de métal précieux Au, Ag As, Sb, Te, Mn, Hg, F, Bi, B Gisement d’uranium U Se, Mo, V, Ru, Cu, Bi, As, Co Gisement ultrabasique Pt, Cr, Ni Co, Cu, Pd 2-10 Train de dispersion : Distribution le long de cours d’eau de teneurs anomales organisées de telles manières que les valeurs diminuent au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la source. 2-11 Dispersion géochimique : Séparation en une phase immobile et une phase mobile qui se déposera en un autre lieu. 1-4 Symbole chimique des éléments Le chimiste Suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) est à l’origine des symboles chimiques que nous utilisons, en définissant un système typographique fondé sur l’alphabet latin : une lettre majuscule, parfois suivie d’une lettre minuscule, sans point marquant normalement une abréviation, dans une démarche universaliste qui a conduit à l’adoption de symbole issus du néolatin de l’époque moderne. Na <Natrium> Sodium S <Sulfur> Soufre Cl <Chlorum> Chlore O <Oxygenium> Oxygène Sn <Stannum> Etain Cu <Cuprum> Cuivre P <Ohosphorus> Phosphore Ag <Argentum> Argent Fe <Ferrum> Fer Pb <Plumbum>PPlomb Au <Aurum> Or Hg <Hydrargyrum> Mercure Sb <Stibium> Antimoine N <Nitrogenum> Azote K <Kalium> Potassium C <Carbonium> Carbone
  6. 6. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 6 CHAPITRE II : LA REPARTITION DES ELEMENTS GEOCHIMIQUES DANS LES ROCHES INTRODUCTION La répartition ou dispersion des éléments chimiques met en évidence leur dynamisme. En effet, les éléments chimiques sont engagés dans divers processus ou phénomènes dont l’aboutissement est leur distribution ou accumulation dans la lithosphère, l’atmosphère, l’hydrosphère et la biosphère. Ces environnements de dépôts permettent ainsi, de distinguer deux types de dispersions ou de minéralisation. Celles liées aux processus endogènes (roches magmatiques et métamorphiques) dites minéralisations primaires, endogènes, synchrones, syngénétiques, car contemporaines à la mise en place de l’encaissant. Celles liées aux processus exogènes (sédiments et roches exogènes : sédimentaires, résiduelles) dites minéralisations secondaires, anachrones, post génétiques (épigénétique), exogènes, car ultérieures à l’encaissant. Le cycle géochimique est donc la base fondamentale de la formation des roches et donc de la ségrégation des minéralisations. 1-1 Dispersions primaires Ce sont les dispersions géochimiques des éléments par des processus endogènes. Elles sont localisées en profondeurs et contemporaines aux processus magmatiques et métamorphiques. Elles donnent des auréoles primaires dans les roches saines. 1-2 Dispersions secondaires Ce sont les dispersions géochimiques par des processus exogènes. Elles sont le fait de phénomènes superficiels de transformation des roches : altération météorologique, érosion et sédimentation, géomorphologie. Elles donnent des auréoles secondaires qui couvrent de vastes étendues. La prospection géochimique a pour but de mettre en évidence ce type d’auréole par des prélèvements d’échantillons de sol, de sédiments de ruisseau, matière organique. Cette dispersion est à la fois mécanique et chimique. 1-3 Cycle de transformation des roches( attention bosser pr le btsvery important)
  7. 7. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 7 1- la plaque plonge sous la croute par subduction entrainant de l’eau 2- si la profondeur est faible à moyenne, les roches sont métamorphisées et remontent à la surface en phase d’extension : dispersion primaire 3- si la profondeur est importante, il y a fusion et les roches remontent à la surface sous forme de lave : dispersion primaire 4- l’érosion transforme les roches en sédiments et en roches sédimentaires et le cycle recommence : dispersion secondaire 1-4 Le Clarke La répartition des éléments chimiques dans l’écorce terrestre n’est pas homogène. Des études dont celle de l’Américain W. CLARKE, 1889 intitulée « the relative aboundances of the chemical elements » donnent pour chaque élément une composition moyenne dans l’écorce terrestre. Le Clarke définit donc la teneur moyenne d’un élément chimique donné dans l’écorce terrestre. On l’exprime en %, ppm, ppb, g/t . Éléments chimiques Al Fe Ti Zn Ni Cu Sn Ca Pb Mo Ag Pt Au Clarke (g/t) 8130 5000 4400 132 80 70 40 23 16 15 0,7 0,005 0,005 Sur la base de leur teneur moyenne, les éléments de l’écorce terrestre ont été scindés en deux groupes géochimiques : les éléments majeurs et les éléments en traces. 1% = 1000g/t 1-5 Les éléments majeurs On appelle éléments majeurs tous les éléments dont la teneur dans les échantillons analysés est supérieure à 0,1%. Dans une analyse chimique, ils sont exprimés en pourcentage pondéral. Ils sont prépondérants dans l’écorce terrestre et représentent à eux seuls près de 98.5% du volume de l’écorce terrestre. Eléments O Si Al Fe Ca Na K Mg Autres Clarke % 46,6 27,7 8,1 5,0 3,6 2,8 2,6 2,1 1,5 Les résultants sont exprimés en oxydes:SiO2, AlO3, FeO, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O, TiO2. En géochimie, les éléments majeurs revêtent deux aspects : Normatif et Génétique.
  8. 8. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 8 La norme exprime la composition minéralogique théorique (virtuelle) d’une roche magmatique. La plus connue et la plus utilisée des normes en pétrologie moderne est la norme CIPW qui donne les minéraux normatifs en pourcentages pondéraux au terme de calculs complexes. Etablie par W. Cross, J.P. Idding, L.V. Pirsson et H.S. Washington en 1903 et modifié en 1912, cette norme anhydre ne tient pas compte de H2O présent dans la roche. Pour établir la norme d’une roche, on doit déterminer sa composition chimique en pourcentage d’oxyde. Le principe de base est de distribuer les éléments chimiques : Si, Al, Mg, Fe2+, Fe3+, Ca, Na, K, Ti, P entre molécules minérales standards (quartz, orthose, albite, anorthite, néphéline, leucite, ortho pyroxène, clino-pyroxène, olivine, apatite, ilménite, magnétite), suivant une procédure de calcul selon des règles strictes. Elle aide à comparer les roches volcaniques non cristallisées avec les roches plutoniques cristallisées et d’établir s’il existe ou non des liens pétro génétiques entre les deux. L’aspect génétique fait appel à des diagrammes géochimiques ou chimiques qui permettent d’établir dans la mesure du possible des tendances évolutives avec parfois des implications génétiques et géotectoniques et aboutissent à l’établissement de typologie (classification chimique ou géochimique des roches) 1-6 Les éléments en traces(ne peuvent pa concevoir un minéral en temps ke telle) Par opposition aux éléments majeurs, un élément en trace est un élément chimique dont la teneur dans les échantillons analysés n’excède guère 0,1%. Les teneurs en éléments-traces sont exprimées en ppm en masse d’éléments. Leur très faible quantité dans un milieu permet d’espérer que dans les édifices cristallins des minéraux, ces éléments peuvent : - Participer à la structure des minéraux en se substituant (substitution ionique) - Etre piéger dans les interstices, les défauts du réseau cristallin (incorporation) La substitution est favorisée par des rayons ioniques à peu près semblable entre substitué et substituant, par la valence des éléments et l’effet électromagnétique de la charpente silicaté. Goldschmidt définit trois types de dispositions des traces ou oligo-éléments aux majeurs dans les silicates :  Camouflage : l’élément en trace prend la place d’un majeur banal de même valence. Ex Ge4+ (0,53A) remplace Si4+ (0,42A) ou Ni2+ remplace Mg2+  Capture : l’élément trace de valence supérieure prend la place d’un majeur de faible valence. Sur le plan énergétique, la nouvelle structure est plus stable que la précédente. Ex : Pb2+(1,2A) ou Ba2+(1,34A) remplace K+(1,33A)  Admission : l’élément en trace de faible valence remplace un majeur de valence plus élevée. La nouvelle structure est moins stable que la précédente. Ex :Li+ (0,68) remplace Mg2+(0,66A). Pour les roches magmatiques typiques, les éléments en traces les plus importants sont :
  9. 9. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 9 - Certains éléments alcalins et alcalino-terreux : Ce, Sr, Rb, Ba. - les terres rares (Lanthanides) : La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Yb,Lu….. - des éléments de numéro atomiques élevés (Pb, U, Th) a) Comportement des éléments en traces au cours des processus magmatiques L’interprétation de la répartition des éléments en traces entre les phases d’un système naturel est liée à des considérations structurales, thermodynamique et cinétique. De ce fait, quelques notions de thermodynamique méritent d’être précisées avant d’aborder ce volet. Il s’agit des notions de système, phase, équilibre chimique, coefficient de distribution, potentiel chimique….. Du point de vue thermodynamique, une roche peut être considérée comme un système (assemblage de phase) et chaque phase l’ensemble de sous système de la roche qui possèdent les mêmes propriétés physiques et chimiques : ce sont les minéraux. Si on considère par exemple le granite, ce système comprend de façon générale trois phases cristallisées : Quartz, Feldspath et le Micas. Pour le système basalte, on une phase non cristallisée qui est la phase amorphe (verre). Par extension, un système peut avoir une phase liquide, solide et gazeuse. L important est l’existence d’équilibre entre les diverses phases au moment de la cristallisation. Ainsi pour un magma, la fraction liquide à l’origine est de 100% et de 0% au terme de la cristallisation. En supposant cette fraction f=1, alors f va tendre vers 0 au fur et à mesure que la cristallisation s’opère. b) Notion de potentiel chimique Considérons un magma hyper siliceux (composition granitique), il cristallise à partir de ce magma les phases Quartz-Feldspath-Micas qui sont en équilibre. Toute transformation infinitésimale entrainera une variation (dn) de la proportion molaire d’un des constituants du système. Cela entrainera une variation de l’énergie cinétique du système, car à chacun des éléments d’une phase est attribuable une part de l’énergie libre globale de la phase et à cette part, on donne le nom de potentiel chimique (μ). Comme la T et P, le Potentiel chimique détermine le sens des échanges d’un élément entre différentes phases d’un système. Si on considère un élément i réparti entre deux phases α et β d’un système, on aura μi α et μi β qui vont désigner respectivement le potentiel de i dans les deux phases.Si μi α>μi β, alors i va migrer vers Beta de façon à réaliser l’égalité μi α = μi β. Ainsi du point de vue thermodynamique, la répartition d’un élément entre différents phases s’effectue de sorte à tendre vers l égalité des potentiels chimiques de cet élément dans les différentes phases. Le rapport iα / iβ = Kd est une constante à une toute température donnée est appelé coefficient de partage – ou de distribution thermodynamique. c) Quelques modèles de comportement des éléments en trace
  10. 10. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 10 Pour décrire et formaliser physiquement certains événements géologiques comme la fusion des roches, la cristallisation des magmas, l’altération, il sera utile d’utiliser les éléments en trace comme marqueur de ces événements. Plusieurs modèles ont été proposés dont la fusion partielle, la cristallisation fractionnée et le mélange entre deux systèmes de concentrations différentes. Dans la cristallisation fractionnée par exemple, on imagine un cristal qui précipite à partir d’un magma ou d’un liquide. Mais ici, seule la dernière portion du solide qui cristallise est en équilibre avec tout le liquide parent que l’on suppose homogénéisé. On peut envisager ce processus de deux façons. Le cristal qui se forme peut rester présent dans le bain mais seule la couche externe du cristal est en équilibre avec le liquide et il en résultera une zonation chimique du cristal. Alternativement, le cristal qui se forme, même s’il s’équilibre en permanence avec le liquide, a en général une densité différente de celle du liquide. Il coule ou flotte, mais de toute façon il perd contact avec la masse liquide parent. C’est le phénomène de la cristallisation fractionnée. Dans les deux cas, on écrit que seule la dernière fraction formée du solide est en équilibre avec le liquide. Soient Ms et ms, les masses respectives de solide précipité de l’élément en trace qu’il renferme : ML et mL ayant la même signification pour le liquide résiduel (la masse du solide et du trace dans le liquide), la concentration Ts de la dernière fraction de solide et TL, celle du liquide, on obtient calcul tout fait les fonctions LogTs ou LogTL dont les points représentatifs du solide et du liquide se placeront sur une droite. Le seul fait d’avoir une corrélation linéaire de ces fonctions est la preuve d’une cristallisation fractionnée. Ce processus est souvent nommé distillation de Reyleigh. Fusion partielle : Lorsqu’un matériau rocheux fond, la fusion n’est que très rarement totale (sauf parfois lors d’une fusion de la croûte continentale dans des conditions particulières). Dans la plus part des cas, la fusion n’est que partielle et dépasse rarement 30%. Or cette fusion partielle est incongruente. C'est-à-dire que le liquide obtenu n’a pas la même composition que la roche de départ. En effet, une roche est un assemblage de minéraux de natures différentes. Or tous les minéraux ne fondent pas à la même température et les éléments chimiques vont avoir des comportements différents lors de la fusion. Certains éléments sont dits hygromagmatophiles, c'est-à-dire qu’ils passent préférentiellement dans la phase fluide. Ex : le potassium (K) passe très rapidement dans la phase liquide. Ainsi : - Si le taux de fusion est faible, le K et d’autres alcalins vont passer rapidement dans la phase fluide. Le liquide sera donc riche en K et alcalins. - Si le taux de fusion es important, tout le potassium et les alcalins seront bien dans le liquide, mais d’autres éléments moins hygromagmatophiles vont également passer dans le liquide. Le
  11. 11. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 11 magma sera donc proportionnellement moins riche en K et alcalins (effet de dilution du liquide additionnel). d) le comportement géochimique de quelques familles d’éléments en traces Le comportement géochimique des éléments en traces est gouverné à la fois par les paramètres physiques (valence, rayon ionique) de ces éléments à l’état ionique et par ceux du milieu récepteur (dimension et forme su site hôte, charges électromagnétique de la charpente silicaté). D’une manière générale, l’utilisation des traces pour l’étude d’un groupe de roche se fait en deux temps. Le premier temps consiste à déterminer les paramètres géophysiques qui distinguent ou rapprochent ces éléments en traces à d’autres groupes connus de roches et un second temps consiste à chercher les liens génétiques qui rattachent les roches étudiées à d’autres groupes connus. d-1 les éléments alcalins et alcalino-terreux Ce sont les éléments de la colonne I et II du tableau du tableau périodique mais dont on exclu le Na et le Mg qui sont des éléments majeurs des roches silicatés. Les minéraux accepteurs de ces éléments sont essentiellement les feldspaths et de façon plus variables les micas. Les autres structures (pyroxènes, olivines, amphiboles) les acceptent moins bien. On peut donc prévoir que lors des changements de phases dans les systèmes basiques dépourvus de feldspaths, ces éléments marqueront une forte préférence pour le liquide silicaté. On qualifie de tels éléments d’incompatibles vis-à-vis des phases solides. Lors de la fusion partielle des roches ultra-basiques du manteau, les alcalins et alcalino-terreux qui sont les premiers à fondre et en particulier le K passe immédiatement dans la phase liquide basaltique résultant. Un faible degré de fusion partielle produit donc des liquides très enrichis en ces éléments par rapport au solide résiduel. Si davantage de solide fond, le liquide additionnel n’a plus qu’un effet diluant et les concentrations en K, Rb, Ba baissent. Ainsi a-t-on proposé que les basaltes des fonds océaniques ou tholeiites (environ 0,2%K, 0,5% à 5ppmRb) résultent d’un degré important de fusion partielle du manteau (20% du matériel initial fondu). Par contre, les basaltes continentaux et les basaltes de certains îles océaniques dits basaltes alcalins (1 à 2 % K, 20 à 50 ppm Rb) ne nécessiterait d’un degré beaucoup plus faible de fusion partielle (3 à 5%). Si l’on reporte les valeurs de K/Rb en fonction des teneurs de K, les deux familles de basaltes s’individualisent très nettement (fig. ). A l’aide de modèles géochimiques quantitatifs, il est possible de discuter, non seulement le mécanisme qui est à l’origine des basaltes, la fusion partielle, mais également la nature et les proportions des minéraux dans le système soumis à cette fusion. d-2 Les éléments de la famille des terres rares Il s’agit d’une famille d’éléments extrêmement voisins de par leurs propriétés physiques et chimiques. Celles-ci sont en grande partie fixées, comme pour tous les éléments, par la configuration électronique externe des atomes. un comportement géochimique voisin.
  12. 12. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 12 Un avantage considérable des terres rares est fort peu soluble dans l’eau. Ils constituent alors des traceurs résistants résistant à l’altération des roches, ainsi qu’aux phénomènes secondaires comme le métamorphisme..les terres rares gardent donc une mémoire des processus magmatiques ou sédimentaires primaires qui Pour les TR, la structure électronique est la même, seule diffère le remplissage de la sous-couche 4f. ces éléments ont ont donnés naissance aux roches. Ils ont également une préférence marquée pour la phase liquide au cours des processus magmatiques (fusion, cristallisation). Une autre application importante de l’étude des terres rares dans les roches est l’étude des conditions redox du milieu et son corolaire, le traçage des plagioclases..les TR ont en général la même valence 3+, sauf l cérium et l’europium. Ce dernier présente deux états d’oxydations Eu2+ et Eu3+ en équilibre. Les conditions magmatiques naturelles sont généralement réductrices, ce qui provoque un déplacement très fort de cet équilibre redox vers Eu2+. Le rayon ionique de l’Eu divalent est différent de celui des autres TR et est facilement incorporé à la structure des plagioclases au lieu et place du Ca. Lors de la cristallisation du plagioclase à partir d’un basalte, ce minéral absorbe préférentiellement l’EU, créant dans le liquide résiduel une anomalie négative en Europium. Par contre, un précipité en plagioclase (cumulat) présentera une anomalie positive en europium. MrxMrx +Plagio-Plagio LR + CF - FP Cumulat La Ce Eu2+ Rb TR La Ce Eu2+ Rb TR Figure : Complémentarité de l’anomalie de l’Europium dans les basaltes au cours de processus magmatiques.
  13. 13. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 13 CHAPITRE III : COMPORTEMENT DES ELEMENTS GEOCHIMIQUES INTRODUCTION Pour mieux comprendre le comportement des éléments chimiques sur le plan géochimiques, il faut remonter à l’unité structurale de base de la matière. En chimie l’atome est l’élément de base de la matière. Il forme par association la matière via la molécule. 1- L’Atome L’atome est constitué d’un noyau central autour duquel gravite un cortège électronique. Le noyau est constitué de neutron sans charge et de proton de charge positive qui confère au noyau la quasi-totalité de sa charge positive. Le nombre de proton est appelé numéro atomique (Z) de l’atome. Les électrons décrivent autour du noyau des orbitales elliptiques concentriques. Ils (les électrons) ont une charge négative qui égalise la charge du proton. L’atome est dit électriquement neutre. Figure 1 : configuration de l’atome Les électrons du noyau ne sont pas disposés au hasard, mais selon un ordre défini par quatre nombres quantiques (n, l, m et s).
  14. 14. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 14 n est le nombre quantique principale et détermine les différentes couches électroniques : K ; L M ; N ; O ; P ; …..etc , l est le nombre quantique secondaire ou azimutal et permet de connaitre les sous-couches de la couche qu’occupe les électrons : s, p, d, f, h,…..etc, (0<l>n-1) m est le nombre quantique magnétique et renseigne sur les cases quantiques occupées par les électrons, il prend les valeurs –l<m>l s est le spin de l’électron, c'est-à-dire l’orientation sur sa trajectoire, deux électrons d’une même case quantique ont des spins opposés ou antiparallèle. Il prend les valeurs -1/2 et + ½ des principes et règles préexistent au remplissage des orbitales atomiques dont la règle de Hund(toutes les orbitales équivalentes d’une couche aient d’abord un électron avant de le compléter par un second de spin opposé) , la règle du Moindre Effort(les électrons se placent sur les orbitales en commençant par celles dont le niveau d’énergie est le plus bas), le principe d’Exclusion de Pauli (deux électrons ayant en commun les trois premiers nombres quantiques diffèrent forcément par leur spin) 2- la molécule Une molécule est une entité chimique électriquement neutre formée par un nombre précis d’atomes. A chaque molécule est associé un nom est une formule chimique brute. Dans la formule brute, on écrit le symbole chimique desv éléments et en indices en bas, à droite, pour chaque élément le nombre d’atomes. Ex : Cl2 (dichlore) ; HCl (Chlorure d’Hydrogène) ; NH3 (ammoniac), CO2 (dioxyde de carbone). Les molécules peuvent donc être monoatomique(O2) ou poly atomique (H2O) . Leur assemblage conduit à la formation des cristaux et partant de la matière. L’association entre atome aboutissant à la formation de molécule implique nécessairement l’entité chimique obtenue soit plus stable que les éléments de départ. La molécule représente, à l’échelle microscopique, la plus petite partie d’un corps susceptible d’exister à l’état libre dans la nature tout en détenant l ensemble des propriétés caractéristiques de la substance originelle. La cohésion entre les molécules est assurée par des forces de liaisons appelées liaisons chimiques. 3- les liaisons chimiques La liaison chimique est un phénomène physique qui lie les atomes entre eux en échangeant ou partageant un ou plusieurs électrons ou par des forces électrostatiques. Les métaux se caractérisent par des liaisons dites métalliques qi sont des liaisons fortes organisant les atomes en structures ordonnées. D’autres par contre faibles, naissent de polarités entre molécules. C’est le cas des liaisons de Van Der Waals. De telles forces de liaison permettent la liquéfaction ou la solidification de gaz dont l’hélium et l’argon. a- la liaison ionique ou hétéro polaire ou électrostatique : La liaison ionique est un type d’interaction électrostatique entre atomes dont la différence d’électronégativité est supérieure à 1,7 (limite conventionnelle). Elle implique donc deux atomes dont l un est plus
  15. 15. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 15 électronégatif (anion) et l autre plus électropositif (cation). Cette liaison est prépondérante en chimie minérale et régie les édifices minéraux de l’écorce terrestre. Ex Na+ + Cl- = Na Cl. Il existe des ions poly atomiques qui portent une charge électrique et contiennent par ailleurs des liaisons covalentes entre les atomes le constituant. Ex CO3 2- et NH4+ . La liaison ionique fait préférentiellement entre un métal et un non-métal. Le métal cède un ou plusieurs électrons et devient cation. Le non-métal capte ces électrons et devient anion. Les composés ioniques conduisent l’électricité à l’état fondu ou en solution. Ils possèdent un point de fusion élevé et sont souvent solubles dans l’eau. b- la liaison covalente ou homopolaire ou atomique : La liaison covalente est une liaison dans laquelle deux électrons de valence sont partagés entre deux non-métaux. Dans ce type de liaison, il doit y avoir une différence d’électronégativité inférieure à 1,7 sur l’échelle de Pauling. Cette liaison implique un recouvrement de deux orbitales atomiques ayant chacune un électron de valence. Grace à ce recouvrement, il y aura la formation d’une seule et unique orbitale commune comme le montre la figure ci- dessous. Ce recouvrement d’orbitales atomiques conduit à la formation d’une orbitale moléculaire. Il un partage d’électron entre deux atomes d’hydrogène afin de former une seule molécule de dihydrogène. Cette liaison explique la formation de molécule à partir d’atome de même molécule. NB : la nature covalente ou ionique d’une liaison entre atomes trouve son explication dans les travaux de Linus Pauling, 1931 qui furent considérés comme le texte le plus important de l’histoire de la chimie « on the nature of the chemical bond ». il établit la courbe empirique de l’électronégativité trouva 1,7eV pour une liaison 50% ionique et 50% covalente. Liaison covalente 1,7eV liaison ionique Lorsque la différence d’électronégativité est très faible, voire nulle, les charges partielles sont nulles et la liaison complètement apolaire. Le doublet électronique est équitablement reparti entre les atomes. La liaison est dite covalente non polarisée. Par contre, lorsque la différence d’électronégativité est très grande, les charges partielles deviennent formelles, la liaison perd son caractère covalent pour tendre vers une liaison ionique pure. Les atomes ne partagent plus un doublet, mais s’ionisent pour prendre une configuration de gaz rare. Ces liaisons sont dites polarisées. Ex HCl où Cl avec ses 17 électrons est plus électronégatif que H où Z=1 , ce qui donne H+ - Cl- . Electronégativités dans l’échelle de pauling H 2,1 Li 1,0 Be 1,5 B 2,0 C 2,5 N 3,0 O 3,5 F 4,0 Na 0,9 Mg 1,2 Al 1,5 Si 1,8 P 2,1 S 2,5 Cl 3,0 K 0,8 Ca 1,0 Cr 1,6 Fe ,Co 1,8 Ni 1,8 Cu 1,9 Zn 1,6 Ga 1,6 Ge 1,8 As 2,0 Se 2,4 Br 2,8 Rb Sr 1,0 Mo Pd 2,2 Ag Cd In 1,7 Sn 1,8 Sb Te I 2,5
  16. 16. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 16 0,8 1,8 1,9 1,7 1,9 2,1 Cs 0,7 Ba 0,9 W 1,7 Pt 2,2 Au 2,4 Hg 2 Ti 2 Pb 1,9 Bi 2,0 Po 2,0 Ar 2,2 Fr 0,7 Ra 0,9 c- la liaison métallique : La liaison métallique est une liaison qui implique un grand nombre d’atomes de métaux (typiquement des millions, voire plus). Ces atomes mettent en commun un ou plusieurs électrons appelés « électrons libres ». On a un ensemble de cations qui baignent dans une mer d’électrons non lié à un atome spécifique. Ces électrons sont à l origine de la conductivité électrique et thermique, de la malléabilité, de la ductilité des métaux. Par rapport à la liaison covalente, on peut voir les électrons libres comme délocalisés à toute la pièce métallique. + - + - + - + - + - - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - Figure: Configuration théorique des ions métalliques d- liaison de Van Der Waals ou liaison résiduelle C’est une liaison qui uni les grosses molécules globalement neutre, mais qui ne le sont pas. Ex : dans l Argon, Xe, Kr, Ne et l’Hélium. Cette liaison très faible s’exprime en trois types. - forces de Keesom ou effets d’orientation : lorsque les molécules possèdent un moment dipolaire permanent (molécules polaires) les dipôles s’orientent de façon que leur énergie mutuelle d’interaction soit minimale, c’est l’effet d’orientation. C’est en somme une attraction entre dipoles permanents dans les molécules polaires. - Forces de Debye ou effet d’induction : l’effet d’induction est du à des interactions entre des molécules polaires et des molécules polaires ou non polaires : le dipôle électrique permanent d’une molécule polaire crée un champ électrique qui déforme le nuage électronique d’une autre molécule polaire ou apolaire voisine : il se forme alors un moment dipolaire induit. C’est en somme une attraction entre les dipôles permanents (molécules polaires) et les dipôles induits dans des molécules non polaires (induits par les dipôles permanents des molécules polaires) - forces de London ou effets de dispersion : les électrons d’une molécule sont en mouvement continu : donc à chaque instant, la molécule possède un moment dipolaire non nul. Ce moment dipolaire instantané induit un moment dipolaire dans une molécule voisine, ce qui explique l’existence de force attractive entre molécules neutres non polaires. C’est en somme une attraction entre molécules non polaires, due à la polarisabilité des molécules ou des atomes : interaction la plus fondamentale des 3 puisqu’elle existe toujours. 4- Formation des cristaux
  17. 17. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 17 Les cristaux les plus communs sont la neige, le sucre, les sels, les silicates, les oxydes, les sulfures, les métaux et les pierres précieuses (gemmes). Ainsi, traditionnellement, le cristal est un solide polyédrique, plus ou moins brillant, à structure régulière et périodique, formée d’un empilement ordonné d’un grand nombre d’atomes, de molécules ou d’ions. Le cristal est un solide ordonné à l échelle atomique et possédant une composition chimique et des propriétés physiques fixées. L’association des atomes, molécules, ions conduit à la formation de la matière à l échelle macroscopique. La matière est ce qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Elle peut se présenter sous plusieurs états ou phases dont les plus connus sont : - Etat liquide ou la phase liquide ; Etat solide ou la phase solide et l’Etat gazeux ou la phase gazeuse. Il existe d’autre états comme le plasma, le condensat de Bose-Einstein, mais rare et produit dans des conditions d’exception au laboratoire. 4-1 L’Etat solide : C’est un état ayant une forme propre, les molécules, ions ou atomes sont exempts de liberté entre eux. On parle alors de rigidité des forces de cohésion. Cet état comprend l’état cristallin (solide au sens strict) et l’état colloïdal qui est une solution solide. 4-2 L’Etat liquide : Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible. Le liquide est une forme de fluide : les molécules y sont faiblement liées, ce qui rend les liquides parfaitement déformables. Mais à l’inverse du gaz, elles sont tout de même liées. Cet état comprend l’état amorphe qui est considéré comme un liquide de viscosité très élevé 4-3 L’Etat gazeux : C’est l état de désordre total, les particules sont libres de se déplacer dans tous les sens, la matière n’a donc pas de forme propre ni de volume propre. Par ailleurs un gaz tend à occuper tout le volume disponible (expansible), mais ses atomes ou molécules ne sont pas chargés. Un gaz parfait exclu toute interaction entre les particules. Les caractéristiques des gaz sont liés aux grandeurs suivantes appelées grandeurs d’état : - La pression P (Pa) ; La température Ɵ (°C) ; Le volume V (m3 ) ; La quantité de matière en n (mol). NB ; T (en K) = Ɵ + 273,15 et PV = nRT 5- les changements d’états de la matière Un changement d’état est le passage d’un état à un autre sous l’effet d’un changement de température ou pression.
  18. 18. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 18 Figure 3 : Les états de la matière et transition de matières La liquéfaction est le passage de l état gazeux à l’état liquide, la condensation est une liquéfaction sous forme de gouttelettes. Ex : l’eau qui chauffe dans une casserole, la buée sur les vitres. La vaporisation est un phénomène général du passage de l’état liquide à l’état gazeux. L’ébullition est un phénomène qui se réalise en profondeur. Le liquide chauffé forme des bulles en interne. L’eau boue à 100°C et l’alcool à 778°C La fusion est la passage de l’état solide vers l’état liquide. Ex : laisser fondre une glace La solidification est le passage de l’état liquide à solide. L’eau qui se transforme en glace dans un congélateur La sublimation est le passage de l’état solide à gazeux et inversement. La glace peut s’évaporer de la même façon que l’eau. Température Etat gazeux (2) Vaporisation (1à2) Liquéfaction (2 à 1) Sublimation (3 à 2) Etat liquide (1) Condensation (2 à 3) Fusion (3à 1) Solidification (1 à 3) Etat solide (3) Par ailleurs, à 1500°C, peu de matière reste solide, on peut donc dire que dans l’écorce terrestre, seule l état liquide domine, eu égard à la température sans cesse croissante du au gradient géothermique, aux courants de convexion et à la désintégration radioactive.
  19. 19. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 19 6- la classification des éléments 6-1 Classification périodique des éléments (Mendeleïev, 1869) C’est l’une des plus anciennes. Elle est basée sur le numéro atomique et donc la structure électronique des éléments. Ainsi, si l’on examine la structure électronique des atomes dans ce tableau, en partant des plus simples aux plus complexes, on remarque que H = 1 autour duquel gravite un électron, se trouve dans le groupe et période 1. He = 2 a sa couche K saturé, se trouve à la période 1, mais dans le groupe des gaz rares (18), le Li = 3 a sa couche K saturée, mais a un électron célibataire, est donc de la colonne 1, mais à la seconde période, vient le Be = 4, jusqu’au Ne = 10 pour revenir au Na = 11. 6-2 Classification de Goldschmidt Diverses classifications rendent compte des propriétés relatives des éléments. La classification proposée par V.M. Goldschmidt est considérée comme l’une des plus classiques et la plus admise en géochimie. Les critères de cette classification sont : - La structure électronique des éléments, leur distribution dans les météorites, et leur affinité pour les autres éléments. Sur cette base Goldschmidt distingue, quatre classes géochimiques d’éléments : - les éléments lithophiles (de loin les plus nombreux) se trouvant préférentiellement à l état de silicates (affinité avec l oxygène). Ce sont : les alcalins (Li, Na, K, Rb, Cs), les alcalino- terreux (Be, Mg, Ca,Sr, Ba), les lanthanides, les halogènes (F, Cl,Br), O, B, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb, Hf , - les éléments sidérophiles se trouvant préférentiellement à l’état métallique (affinité avec le fer). Ce sont : les éléments fortement sidérophiles (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) et les éléments à tendance sidérophiles (Re, Fe, Co, Ni, Mo, Ge,Sn). P et C sont à l’origine des éléments sidérophiles - les éléments chalcophiles se trouvant préférentiellement à l’état de sulfure (affinité avec le soufre), ce sont : Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Tl,Pb, As, Sb,Bi,S, Se, Te - les éléments atmophiles : forte préférence pour les phases vapeurs, ce sont les éléments gazeux non combinés (H, N, Gaz rares (He, Ne, Ar,Kr,Xe,Rn). Dans cette classification, le critère affinité n’est pas absolue, ce qui rend cette classification non normalisée et certains éléments peuvent appartenir à plusieurs classes. Ex : l’oxygène est normalement lithophile, mais sa forme atmosphérique est atmophile. Le germaniun et l étain, essentiellement chalcophiles, ont également des aspects sidérophiles, voire lithophle. Le fer est paradoxalement de nature à la fois chalcophile, lithophile en même temps que sidérophile, c’est ce qui explique son abondance dans l’écorce terrestre. L’état d’oxydation peut faire varier la situation d’un élément. Ex : Cr3+ est chalcophile, Cr6+ est lithophile.
  20. 20. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 20 6-3 Autres classifications a) les Séries chimiques Elles découlent de propriétés localement similaires observées dans les conditions de Tet P (0°C et 1atm) : 1- les métaux alcalins : groupe 1 moins l hydrogène 2- les métaux alcalino-terreux : confondus avec le groupe deux 3- les lanthanides : éléments du bloc f de la 6eme période plus le lutécium 4- les actinides : éléments du bloc f de la 7eme période plus le lawrencium 5- métaux de transition : éléments du bloc d, moins Lu et Lr 6- les métaux pauvres : Al, Ga, Sn, Ti, Pb, Bi, 7- les métalloïdes : B, Si, Ge, As, Sb, Te Po 8- les non-métaux : H, C, N, O, P, S, Se 9- les halogènes : confondus avec le groupe 17 sauf le 117 10- les gaz nobles : confondus avec le groupe 18, moins le 118 b) classification selon leur T° de genèse On a les éléments qui condensent à haute température appelés éléments réfractaires (Ce, Al, U, TR), ceux qui condensent à basse T° sont les volatiles (alcalins, Pb, etc). ce qui rend compte des différences géochimiques pouvant exister entre formation géologiques au regard de sa T° de formation. 7- les propriétés des éléments géochimiques Les propriétés d’un minéral dépendent de sa composition chimique, de l arrangement géométrique de ses atomes ou ions constituants, de ses liaisons atomiques. Ainsi, une connaissance de ces données permet d’avoir une bonne connaissance du minéral. Par ailleurs, les minéraux possèdent autant de propriétés chimiques que physiques, mais l’accent sera porté aux propriétés chimiques découlant de l’action de l eau sur les minéraux. L’action de l eau conduit à l altération, mais l’énergie de liaison varie selon le type d’ions concernés. Le K+ est faiblement lié à O, le Fe++ et le Mg++ le sont moyennement, le Si++++ établit au contraire des liaisons très fortes. De ce qui précède, on comprend que le quartz, tectosilicate ne comportant que des liaisons fortes ente Si et O, résiste mieux à l altération ; l olivine en revanche, contenant des cations moins liés (Fe++ et Mg++) a un réseau cristallin plus fragile. 7-1 L’approche de Goldschmidt
  21. 21. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 21 Dès 1934, il montra que l’attirance des éléments chimiques par la molécule d’eau fonction de leur potentiel ionique (PI), grandeur équivalant au rapport de la valence de l’ion sur son rayon ionique. PI = V/Ri. Sur cette base, trois catégories d’ions peuvent être distinguées :  Les ions à PI faible (V/Ri<3) : c’est le domaine des cations solubles comprenant deux classes : (antistokes et stokes) - V/Ri<1 : antistokes, leur taille trop grande par rapport à leur charge, pas d’attirance pour l’eau et ne sont pas hydratés lors de leur mise en solution (Cs, Rb, K) - 1<V/Ri>3 : stokes, les ions sont hydratés et donnent des solutions alcalins (Na, Ba, Sr, Mn, Fe++) selon la formule : An+ + nH2 (A, nH2O)n+ avec n égale valence de A  Les ions à potentiel ionique fort (3<V/Ri>10) : c’est le domaine des hydrolysats insolubles ; Les ions sont de taille et de charge moyenne et se combine à OH et sont immobiles. Ce sont Fe+++, Ti, Al, Mn  Les ions à PI très fort (V/Ri>10) : c’est le domaine des oxydations (solubles). - Les ions sont de très petits diamètres et de charge élevée (B, C, P, S), l’oxygène est en excès et l’ion H+ est libéré (SO4, CO3) selon la formule chimique : An+ + pH2O AOp(n-2p) + pH2 (n-2p<0) A partir des éléments chimiques constitutifs d’une roche, l’altération chimique conduit à une subdivision avec les cations et oxydations solubles qui sont évacués par les circulations d’eaux : c’est la phase migratrice par opposition aux hydrolysats insolubles qui restent sur place et que l’on appelle la phase résiduelle. Ultérieurement l’association de certains cations et anions aboutira à la formation de roches sédimentaires : calcaire CaCO3, sulfates CaSO4, potasse et les gypses (CaSO4,2H2O) Rayon ionique V/Ri = 3 Cations solubles Cs K Ba Na RbCa Pb Fe++ Sr Ti4+ cations précipitants
  22. 22. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 22 Mg++ Fe+++ V/Ri = 10 Li Al3+ Mn4+ Be2+ Si4+ P5+ oxyanions solubles B3+ C4+ N5+ S6+ Valence V Figure : Diagramme de Goldschmidt 7-2 le potentiel d’oxydation Le pH caractérise l’état de dissociation de l’eau, mais seul Eh rend compte des possibilités d’oxydation ou de réduction de divers éléments métalliques présents en solution en fonction de leurs concentrations. Cette notion permet de comprendre le déplacement de certains métaux par d’autres ions métalliques en solution aqueuse. Chaque élément métallique est caractérisé par son Eh : potentiel d’électrode entre cet élément et la solution de l’un de ses sels. L’équation de NERNST lie ce potentiel à la concentration des ions en solution. E = Eo + (RT/nF) ln a : R = cste des gaz parfait ; n = valence de l’ion ; F = le faraday ; a = la concentration des ions en solution ; Eo = potentiel d’électrode lorsque a vaut 1 et T = température en °K Quelques valeurs normales du potentiel d’électrode à 25°C Ca2+/Ca = -2,84 V ; Al3+/Al = -1,66V ; Mn2+/Mn = -1,08V ; Zn2+/Zn = -0,76V ; Fe3+/Fe = -0,44V ; H+/H = 0,00V ; Cu2+/Cu = +0,35V ; Ag+/Ag = + 0,80V Dans la convention européenne, plus la valeur négatif de Eo est élevée, plus le métal tend à s’ioniser et à déplacer un métal de Eo inférieur. Ex : Fe + Cu2+ SO4 2- Fe2+ SO4 2- + Cu 8- Altération superficielle (surface des continents et fond des eaux) L’altération est une modification des propriétés physico-chimiques des minéraux et donc des roches par l’action conjuguée d’agents atmosphériques et surtout de l eau sous toutes ses formes. Les produits de cette altération sont soit des altérites (roches résiduelles) ou des placers (sédiments des bassins de sédimentations). 8-1 facteurs contrôlant l’altération Ce la température, en augmentant le seuil de solubilité et la vitesse de du processus ; le pH, en conditionnant la solubilité minéraux et la précipitation des hydroxydes ; la concentration des ions en solution, en réglant la vitesse des hydrolyses et la dissolution des minéraux primaires ; la porosité de la roche, en augmentant l’infiltration des liquides. 8-2 les agents de l’altération
  23. 23. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 23 Ce sont l’eau à travers ses actions mécanique et surtout chimique, le vent par action essentiellement mécanique et les être vivants. Parmi ces agents une attention particulière sera portée sur l’action de l’eau. En effet, l eau reste le principal agent d’altération des roches. Au- delà de ses actions mécaniques ou physiques (hydroclastie et la cryoclastie ou gélifraction), c’est surtout son action chimique qui se décline en quatre axes dont : La dissolution, L’hydratation, L’oxydation et L’hydrolyse qui prédomine sous nos tropiques.  La dissolution L’eau est le solvant universel capable de dissoudre la plus part des minéraux. Peu d’éléments naturels sont solubles. Le pouvoir dissolvant de l’eau augmente avec sa charge en CO2 et en acide organique. Les minéraux les plus solubles sont : sel gemme, potasse, gypse, les carbonates.  L’hydratation C’est une adjonction d’eau à un minéral, ce qui pour effet une augmentation de volume favorisant la destruction de la roche. Ex : L’hydratation de l’hématite donne de la goethite, celle du l’anhydrite donne du gypse.  L’oxydation et la réduction Elle intéresse au plus haut niveau le fer et fait passer le fer ferreux au fer ferrique. Olivine + oxygène oxyde ferrique + silice Fe2SiO4 +1/2 O2 Fe2O3 + SiO2 FeO + O2 +H2O Fe (OH)3 + H+ + OH- La matière charbonneuse va subir une oxydation à l affleurement. Les composés à base de fer comme la pyrite donnent par oxydation de la goethite, l’action du soufre avec l’eau donne de l’acide sulfurique qui en réagissant avec des carbonates donne du gypse.  L’hydrolyse Elle correspond à des échanges entre deux milieux : l’eau et le cristal. C’est un phénomène d’échange de bases des minéraux et les ions H+ de l’eau. Ainsi la molécule d’eau se comporte comme un dipôle. Ce phénomène est très complexe et aboutit à la ségrégation des ions en trois classes en fonction de leurs potentiels ioniques. 2Ksi3AlO8 + 11H2O Si2O5Al2(OH)4 + 4Si(OH)4 + 2(K+ , 2OH- ) Othose kaolinite (réaction d’altération moyenne) Ksi3AlO8 + 16H2O Al(OH)3 + (K+ , OH- ) solution de lessivage
  24. 24. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 24 Orthose gibbsite (altération complète) CHAPITRE IV : PREPARATION DES ECHANTILLONS ET METHODES D’ANALYSES INTRODUCTION Au cours de la phase stratégique et tactique de l’exploration minière, la prospection géochimique consiste en un prélèvement d’échantillon de roche saine et de sol suivant une grille ou des itinéraires qui sont choisis à partir de documents disponibles. Lorsque l’échantillonnage porte sur une roche, on parle de lithogéochimie et pédogéochimie dans le cadre d’un prélèvement d’échantillon de sol. Les prélèvements sont faits sur une mine ou prospect soit sur un gîte affleurent ou à partir de gisement résiduel. Elle à pour but la détermination d’une anomalie géochimique à partir de techniques de prospection directes : observation directe des échantillons, confirmation physique et visuelle des teneurs disséminées. Qu’ils soient lihologiques ou pédologiques les échantillons doivent faire l’objet d’un prétraitement avant leur expédition au laboratoire. 3- 1 préparation des échantillons La première opération consiste au contrôle. Le contrôle vise deux objectifs : s’assurer le nombre d’échantillons terrains correspond au nombre d’échantillons labo ; s’assurer les coordonnées arbitraires portées sur les échantillons sont celles portées au carnet de terrain. Les autres opérations de laboratoire spécifiques à la nature de l échantillon :  Roche :
  25. 25. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 25 - fragmentation (en morceaux de 5 x5 cm environ), cette opération est faite à la presse hydraulique ou manuellement par chocs, - Concassage : elle vise à produire des morceaux de 1x1cm, on utilise des concasseurs à mâchoires. L’une des mâchoires est fixe et l’autre mobile. - Broyage : si nécessaire réduit le diamètre de l’échantillon. Il est réduit jusqu’à 100µ pour cela on utilise des broyeurs à billes agissant par percussion (va et vient) ou par friction. - Pulvérisation : réduit en poudre l’échantillon dont la granulométrie maximale peut être choisi. Ces fragments de roches sont broyés entre disque fixe et un disque en rotation. Cette technique permet la séparation des minéraux. - Tamisage : il à pour but de séparer l’échantillon en deux fractions : une fine, le passant et une grossière, le refus. La ½ du passant devra subir les analyses appropriées et l’autre conservée comme témoin.  Sol : - Séchage : déshydratation de l’échantillon à l’air libre ou dans des fours adaptés - Démottage : fractionnement de l’échantillon dans des mortiers en céramiques ou en porcelaine, - Broyage ou pulvérisation : rendre en poudre l’échantillon par la réduction de sa granulométrie. Le broyage peut se faire à l’aide de broyeuse. - Tamisage : il à pour but de séparer l’échantillon en deux fractions : une fine, le passant et une grossière, le refus. La ½ du passant devra subir les analyses appropriées et l’autre conservée comme témoin. 3- 2 les méthodes d’analyses Les analyses visent non seulement à mettre en évidence l’identité des constituants dans l’échantillon, qui renseigne sur la méthode approprié pour évaluer la teneur de chaque élément dans l’échantillon. De ce point de vue, les analyses sont dites qualitatives et quantitatives. Dans le dernier cas, les résultats sont donnés en pourcentage massique pour un solide, en concentration molaire pour un liquide. Avant d’analyser un composé, on en prélève un échantillon, puis on sépare les différents constituants du mélange. Si le mélange est constitué de plusieurs phases, on commence par séparer ces phases. Ex : on peut séparer la phase solide de la phase liquide par filtration ou tamisage. La séparation d’un mélange homogène utilise les différences de propriétés physiques entre les constituants. Ex : on extrait facilement le sel d’un mélange de sable au moyen de l’eau, car le sel est soluble dans l’eau alors que le sable ne l’est pas. Par contre, la limaille de fer et le sable sont tous deux insolubles dans l’eau : on ne pourra donc pas les séparer par différence de solubilité dans ce liquide. Cependant la limaille de fer est
  26. 26. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 26 magnétique, on pourra donc la récupérer par triage magnétique. Dans certains cas la cristallisation fractionnée permet de séparer les constituants solides d’un liquide et la distillation fractionnée, les constituants d’un liquide. a) Méthodes physico-chimiques Ce sont les attaques chimiques ou dosages qui sont basés sur les propriétés chimiques des éléments.  La diffractométrie de rayon X Elle est applicable à la matière cristalline et permet de mettre en évidence les structures sous formes d’oxydes. De ce point de vue, elle permet de mettre en évidence les différentes silices : SiO2 (quartz, cristobalite, tridymite, améthyste…..), les différents aciers : acier ferritique, austénite…., ou les différents alumine : Al2O3 (corindon/alumine α, Ɵ, σ, Ƴ….)  Gravimétrie Cette méthode consiste à peser la quantité d’un composé séparé par précipitation. Ex : on peut déterminer la concentration de l’ion chlorure dans une solution en provoquant la précipitation du chlorure d’argent insoluble (AgCl). Le précipité est ensuite récupéré et pesé. Elle est une méthode précise mais longue et délicate, car elle nécessite de nombreuses étapes de séparation préalables. b) Méthodes optiques le spectre électromagnétique regroupe tous les types d’ondes électromagnétiques ; des fréquences les plus élevées aux plus faibles, on trouve : les rayons gamma, les rayons X, les UV, la lumière visible, le rayonnement infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio. Ce sont les techniques d’analyse optique (physique) les plus précises et les plus employées. Elles utilisent l’interaction entre le rayonnement électromagnétique et la matière. Parmi ces méthodes, on peut citer : les spectrophotométries d’absorption dans le visible, dans l’UV et dans l’IR, la microscopie électronique, la spectroscopie d’émission, la spectroscopie d’absorption atomique et la diffraction par rayon X. La plus part de ces techniques utilisent le même principe. La matière est traversée par un rayonnement électromagnétique et absorbe puis émet de l’énergie. Ainsi les spectromètres émettent un rayonnement électromagnétique qui traverse le composé étudié, et enregistrent le spectre d’absorption ou d’émission, qui permet de déterminer les longueurs d’onde et les intensités du rayonnement absorbés ou émis par la matière. Ces longueurs d’ondes sont caractéristiques d’un élément donné, et les intensités relatives des raies d’émission ou d’absorption permettent de déterminer la proportion des constituants correspond dans l’échantillon.  La spectrophotométrie d’absorption dans le visible ou l’UV
  27. 27. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 27 Elle est une technique d’analyse très utilisée pour les substances minérales. Le spectrophomètre mesure l’absorbance d’une solution contenant l’échantillon avant et après que la solution a réagi avec un réactif colorant. La diminution de la transparence de la solution est proportionnelle à la concentration du constituant analysé. Figure 4 : Spectre d’absorption dans le visible : le rayonnement émis par le soleil est photographié par un spectrographe puis analysé. Les raies noires sont les raies d’absorption ; elles sont dues à l’absorption des rayonnements par les éléments présents dans l’atmosphère du soleil. L’étude de ces raies permet aux scientifiques d’identifier les éléments constitutifs du soleil. Ex : les raies dans le jaune indiquent la présence de sodium.  La spectroscopie par fluorescence Elle utilise le phénomène inverse de la spectrophotométrie d’absorption. Les molécules sont excitées et émettent de la lumière aux énergies caractéristiques de leur structure, et à une intensité proportionnelle à la concentration de l’échantillon. Cette méthodes donnent des résultats quantitatifs très précis pour certaines molécules.
  28. 28. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 28 Figure 5 : le spectre d quelques éléments En spectrométrie d’émission ou d’absorption atomique, l’échantillon est chauffé à haute température et se décompose en atomes et en ions, qui émettent ou absorbent respectivement un rayonnement dans le domaine du visible ou de l’UV, et aux énergies caractéristiques des éléments impliqués. Elle est très utilisée pour les analyses qualitative et quantitative d’éléments métalliques à l’état de traces. Cette méthode est beaucoup utilisée en exploration minière surtout la recherche de l’Or.  La spectroscopie par fluorescence X Elle est utilisée pour les analyses qualitatives et quantitatives des éléments métalliques qui émettent des rayons X à des énergies caractéristiques lorsqu’ils sont bombardés par une source de rayons X de haute énergie. 3-3 Sélection d’une méthode analytique Il n’existe évidemment pas de méthode universelle adaptée à tous les types d’échantillons, et suivant le type d’analyse ou d’élément recherché, il faudra avoir accès à la méthode la plus appropriée. Le géologue de terrain doit faire une évaluation minéralogique pour déterminer lesquelles des espèces minérales sont présentes et choisir par conséquent l’analyse chimique appropriée. Il très important d’avoir une séance de travail avec les responsables de laboratoire pour discuter du choix de la méthode et des techniques d’analyses. Les éléments d’évaluation d’une méthode analytique sont :  La sensibilité limite de l’appareil : C’est la valeur minimale que l’on peut mesurer avec cet appareil.  La précision : c’est la marge d’erreur exprimée en pourcentage, on parle d’incertitude sur la valeur mesurée.  La fidélité ou la reproductibilité : l’aptitude à donner la même valeur à chaque mesure  Le coût des analyses : c’est la valeur marchande des analyses qui doit s’inscrire au budget de la société.  Le délai de livraison : c’est le temps d’exécution des analyses et de la livraison des résultats qui doit tenir compte du calendrier de la société.  L’objectif : chaque phase de l’exploration à un objectif précis que la technique d’analyse doit permettre d’atteindre La rapidité du laboratoire, sa crédibilité, la qualité des procédures sont autant de facteurs à intégrer dans les critères d’évaluation d’une méthode analytique.
  29. 29. GEOCHIMIE Amidou Ouattara Page 29 De nombreux instruments de mesure sont automatisés et dans certains cas couplés à un ou plusieurs ordinateurs, ce qui permet d’effectuer et d’enregistrer rapidement un grand nombre de mesures. Les résultats sont présentés sous forme de courbes d’iso-valeurs ou d’iso-teneurs (grille), de diagramme (puits), de figurés (tranchée). ……………..…………FIN………………..……… Repris et traité par le Service Leroiani.

×