Géodynamique Interne

1. I.1 Introduction à la minéralogie

• Minéralogie : étude des minéraux, substances cristallines naturelles, constituants élémentaires des roches.
• Objectifs : recenser, identifier, décrire (propriétés cristallographiques, physiques, chimiques), classer et promouvoir l'utilisation des minéraux.
• Méthodes d'étude : observation des propriétés physiques et optiques, diffraction des rayons X, analyse chimique.

a) Définition d’un minéral

• Minéral : solide naturel, homogène, à composition chimique définie et structure atomique ordonnée.
• Critères :
  • Naturel : formé par processus naturels (exclut minéraux synthétiques).
  • Solide : sauf mercure natif, pas de liquide, gaz ou plasma.
  • Homogène : une seule phase solide.
  • Composition chimique définie : formule chimique spécifique (ex. quartz SiO₂).
  • Structure atomique ordonnée : réseau interne régulier (cristaux ou amorphes).

b) Propriétés physiques principales des minéraux

2. I.2 Notions de cristallographie

• Cristallographie : science de la forme, croissance et organisation interne des cristaux.
• Cristal : solide homogène avec structure interne ordonnée en 3D.

a) Maille cristalline

• Plus petit parallélépipède ou polyèdre conservant les propriétés du cristal.
• Définie par 3 vecteurs ($a$, $b$, $c$) et 3 angles ($\alpha$, $\beta$, $\gamma$).
• Maille élémentaire : plus petit motif atomique répétable dans l’espace.

b) Réseau cristallin

• Répétition tridimensionnelle infinie de la maille.
• Motif : entité chimique minimale (ex. SiO₂ pour quartz).
• Structure cristalline = réseau + motif.

c) Systèmes cristallins (7 types)

d) Éléments de symétrie

• Centre de symétrie (C)
• Plan de symétrie ou miroir (M)
• Axe de symétrie (A)

e) Indexation de Miller

• Notation $(hkl)$ pour décrire les faces cristallines.
• Indices entiers proportionnels aux inverses des intercepts sur axes $a$, $b$, $c$.
• Convention : indice négatif surligné, plan parallèle à un axe a indice 0.

3. I.3 Notions de cristallochimie

• Étude des relations entre composition chimique, structure interne et propriétés physiques des minéraux.

a) Types de liaisons chimiques dans les minéraux

• La plupart des minéraux combinent plusieurs types de liaisons.
• Électronégativité : différence entre éléments détermine caractère ionique ou covalent.

b) Rayon ionique et polyèdre de coordination

• Rayon ionique : distance noyau-électrons externes.
• Anions ont généralement un rayon ionique plus grand que les cations.
• Coordination : nombre d’anions entourant un cation, formant un polyèdre.
• La forme du polyèdre dépend du rapport $R_c/R_a$ (cation/anion).

c) Phénomènes cristallochimiques

4. I.4 Minéraux constitutifs de l’écorce terrestre

a) Classification de Strunz (10 classes)

• Huit éléments (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg) représentent plus de 98% du poids de la croûte terrestre.
• Oxygène est un anion (O²⁻), les autres sont des cations.

b) Les silicates

• Formés par l’anion complexe silicate $\mathrm{[SiO_4]^{4-}}$ combiné à des cations.
• Représentent 92% des minéraux de la croûte terrestre (~600 espèces).
• Liaison Si–O : 50% ionique, 50% covalente, très stable.

Sous-classes des silicates selon l’assemblage des tétraèdres $\mathrm{[SiO_4]^{4-}}$

À retenir : Un minéral est défini par sa composition chimique, sa structure atomique ordonnée et ses propriétés physiques, qui dépendent des types de liaisons chimiques et de l’organisation cristalline. Les silicates, formés autour de l’anion $\mathrm{[SiO_4]^{4-}}$, constituent la majorité de la croûte terrestre.

1. Magmatisme

• Magmatisme : ensemble des phénomènes liés à la formation, montée et cristallisation des magmas.
• Magma : matériau naturel silicaté fondu à haute température, composé de trois phases :
  • phase liquide (dominante),
  • phase gazeuse (secondaire),
  • phase solide cristalline.
• Lave : magma à la surface terrestre, s'écoule ou est éjecté lors d’éruptions volcaniques.

2. Propriétés physico-chimiques du magma

3. Genèse et évolution des magmas

• Fusion partielle : transformation partielle d’une roche solide en liquide (magma) + résidu solide + gaz.
  • La fusion partielle varie selon la composition minérale et les conditions (P, T, présence d’eau).
  • Exemple : péridotite du manteau fond à 1-30% selon contexte (dorsales, points chauds).
• Solidus : limite entre domaine solide et partiellement fondu.
• Liquidus : limite entre domaine partiellement fondu et totalement liquide.
• La présence d’eau abaisse le solidus (fusion hydratée).

4. Ascension et stockage des magmas

• Le magma est moins dense que la roche solide d’origine → instabilité gravitationnelle → montée vers la surface.
• La montée est freinée par la pression lithostatique.
• Gaz dissous dans le magma s’exsolvent lors de la décompression, formant des bulles (exemple : ouverture d’une bouteille d’eau pétillante).
• Les magmas sont stockés dans des chambres magmatiques où commence la cristallisation.

5. Cristallisation des magmas

• Processus inverse de la fusion partielle, entre liquidus et solidus.
• Minéraux cristallisent à différentes températures selon leur stabilité.
• Deux types de cristallisation :
  • Cristallisation à l’équilibre : refroidissement rapide, peu de modification chimique.
  • Cristallisation fractionnée : refroidissement lent en chambre magmatique, modification progressive de la composition chimique.
• Série de Bowen (1928) : ordre défini de cristallisation des minéraux selon la nature du magma, P, T, gaz dissous.
  • Lignée ferro-magnésienne (Fe, Mg) discontinue.
  • Lignée des alcalins (Na, K, Ca) continue (plagioclases).

6. Classification des minéraux silicatés

• Quartz : SiO₂, minéral essentiel dans la croûte, durable, sans plans de clivage.
• Feldspaths : aluminosilicates avec substitution Al³⁺ pour Si⁴⁺, charges compensées par K⁺, Na⁺, Ca²⁺.
  • Types : potassiques, sodiques, calciques.
  • Série continue des plagioclases entre albite (NaAlSi₃O₈) et anorthite (CaAl₂Si₂O₈).
• Feldspathoïdes : aluminosilicates pauvres en silice, coexistent avec feldspaths mais jamais avec quartz (ex : néphéline, leucite).
• Zéolites : aluminosilicates hydratés, charges compensées par Ca²⁺, Na⁺, K⁺.

7. Minéraux non silicatés

• Peu abondants mais économiquement importants (extraction de métaux).
• Classes principales :

8. Diagrammes d’équilibre des minéraux

• Les minéraux sont stables dans des conditions précises de pression (P), température (T) et composition chimique.
• Système : ensemble des substances étudiées, peut être ouvert (échange matière et énergie), clos (échange énergie seulement), isolé (pas d’échange), adiabatique (isolé thermiquement).
• Équilibre : état d’énergie minimum, stable. Métastable si état apparent mais non minimal.
• Phase : partie homogène du système (ex : un minéral distinct).
• Composant : constituants chimiques essentiels du système.
• Règle des phases (Gibbs) :

$$P + V = c + 2 \quad \Longleftrightarrow \quad V = c + 2 - P$$

où
$P$ = nombre de phases en équilibre,
$c$ = nombre de composants chimiques,
$V$ = variance (degré de liberté, nombre de variables indépendantes).

• Exemple : pour un système à pression constante, $V = c + 1 - P$.
• Variance nulle ($V=0$) correspond à un point invariante où la coexistence des phases est unique en P et T.

À retenir : Le magmatisme correspond à la formation, montée et cristallisation des magmas, dont les propriétés physico-chimiques (composition, température, viscosité, densité) contrôlent leur comportement. La fusion partielle des roches produit ces magmas, qui évoluent en montant vers la surface, cristallisant selon un ordre défini. Les diagrammes d’équilibre minéral permettent de comprendre les conditions de stabilité des phases minérales dans la croûte et le manteau.

1. Métamorphisme : définition et protolithe

• Métamorphisme : ensemble des processus modifiant minéralogie et texture d’une roche à l’état solide sous l’effet de la température, pression et fluides.
• Protolithe : roche initiale subissant le métamorphisme (sédimentaire, magmatique ou métamorphique).

2. Conditions du métamorphisme

• Domaine entre diagenèse (~250°C, 3 kbar) et fusion partielle.
• Zones : épizone (basse T-P), mésozone (moyenne), catazone (haute, proche fusion).
• Migmatite : roche mixte ignée et métamorphique.

3. Types de métamorphisme

4. Facteurs du métamorphisme

• Température : accélère réactions, source = éléments radioactifs + friction.
• Pression :
  • Lithostatique : poids des roches sus-jacentes.
  • Contraintes tectoniques : forces orogéniques.
  • Pression des fluides : dans pores, dépend de H₂O, CO₂.
• Fluides : transportent éléments dissous, augmentent vitesse des réactions.
• Temps : réactions métamorphiques prennent des millions d’années.

5. Modifications dues au métamorphisme

• Structurelle : apparition de foliations (plans d’allongement perpendiculaires à la contrainte).
  • Clivage ardoisier (faible métamorphisme, pélites).
  • Schistosité (métamorphisme intermédiaire à élevé).
  • Gneissosité (métamorphisme élevé, séparation en couches minérales).
• Texturale : orientation ou alternance de lits minéralogiques.
  • Granoblastique : texture visible au microscope (marbres, quartzites).
  • Porphyroblastique : gros cristaux (porphyroblastes) dans matrice fine.
  • Rubanée : alternance de lits clairs (quartz, feldspaths) et sombres (micas, amphiboles).
  • Poeciloblastique : liée à la pression, visible au microscope.
  • Lépidoblastique : juxtaposition de cristaux feuilletés (micas).
• Minéralogique : réactions chimiques créant de nouvelles paragenèses.
  • Exemple : muscovite + quartz → feldspath potassique + andalousite + H₂O.
• Transformations polymorphiques : changement de structure minérale sans changer la composition (ex : aluminosilicates SiAl₂O₅).

6. Isogrades

• Zones définissant un degré d’intensité métamorphique, marquées par apparition/disparition de minéraux.
• Isograde (-) : disparition d’un minéral.
• Isograde (+) : apparition d’un minéral.

7. Roches métamorphiques et minéraux caractéristiques

8. Faciès métamorphiques

• Ensemble de conditions P-T produisant une paragenèse minérale stable.
• Permet de regrouper les roches métamorphiques par domaine P-T.

9. Séquences métamorphiques

• Ensemble de roches métamorphiques issues d’un même protolithe avec intensité croissante.
• Exemples de séquences (croissance du métamorphisme) :

À retenir : Le métamorphisme modifie la roche initiale (protolithe) par recristallisation minérale et réorganisation structurale sous l’effet combiné de la température, pression, fluides et temps, donnant naissance à des roches métamorphiques caractérisées par des textures et minéraux spécifiques selon les conditions.