GEOCHIMIE

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GEOCHIMIE

• STU2
• 2003-2004
• Randrianasolo A.

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Bibliographie

• La Géochimie Francis Albarède
• Collection Géosciences,
• Gordon and Breach Science Publishers (2001)
• Géochimie Philippe Vidal
• Collection Géosciences
• Dunod (1994)

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Introduction

• Rôle important dans
• formation des planètes
• convection du manteau
• formation des granites et basaltes
• sédimentation
• évolution des océans et des climats
• gîtes minéraux
• datations etc...

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Exemples

• Complexité illustrée par suivis de 3 éléments
• Sodium Na,
• Fer Fe,
• Magnésium Mg

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Origines de Na, Mg, Fe

• Nucléosynthèse,
• réaction thermonucléaire,
• formation de noyau de plus en plus gros,
• épuisement du carburant thermonucléaire,
• Effondrement et explosion des grosses étoiles
  (super nova)
• dispersion de la matière dans l espace
  intersidéral (nuage de poussières)

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Nucléosynthèse  proton-proton 
Cycle proton-proton1H 1H F 2H 0e n2H
1H F 3He g3He 3He F 4He 21H(lors de la
phase principale du diagramme Hertzsprung -
Russel)
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Nucléosynthèse (suite)
Nucléosynthèse (suite)

• Cycle du carbone (CNO)
• 1H 12C F 13N g
• 13N F 13C 0e n (neutrino)
• 13C 1H F 14N g
• 14N 1H F 15O g
• 15O F 15N 0e n
• 15N 1H F 12C 4He g
• Durée environ 100Ma
• Température environ 15.106 C

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Évolution des étoiles

• Alternance phase de combustion thermonucléaire
  d éléments de masses atomiques de plus en plus
  élevées et phase de contraction.
• Fin de l évolution épuisement de la totalité
  de l énergie nucléaire disponible (fusion Si F
  Fe et Ni)
• F Géante rouge, F explosion en supernova

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(No Transcript)
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Nucléosynthèse 1
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Nucléosynthèse 2
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Supernova

• La  mort  d une étoile a donc comme
  conséquence la libération dans l espace
  intersidérale de divers éléments autres que
  l hydrogène. Ils vont participer à la
  constitution de nouvelles étoiles et des
  planètes.
• Une étoile jeune possède ainsi des éléments plus
  lourds ( métaux ).

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Formation des planètes

• Attraction gravitaire
• agrégation de petits corps autour d une masse
  centrale (étoile)
• Formation de planète (Terre)
• Évolution différente de Na, Mg, Fe

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Comportement de Na, Fe, Mg

• Sodium
• volatile, point d ébullition (881C)
• En partie volatilisée dans l espace
• Fer
• fusion à 1536C
• concentration au cur de la planète (noyau)
• Mg
• ébullition à 1105C
• mélange avec matériel silicaté
• formation de nombreux minéraux (olivine,
  pyroxène)

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 Circuit du Na 

• Croûte riche en plagioclase (différentiation
  magmatique) Plagioclase monte en surface
• Le sodium restant entre dans la composition du
  plagioclase à côté du calcium
• Érosion et dissolution par l eau
• entraînement à la mer
• incorporation dans les sédiments
• .métamorphisme et anatexie
• Retour dans la croûte continentale

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Circuit du Mg

• Le magnésium reste dans les minéraux réfractaires
  lourds
• reste dans les résidus de fusion de la péridotite
• dans les liquides magmatiques, est incorporés
  rapidement dans les olivines et pyroxènes
• prédomine dans le manteau

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Mécanismes contraires

• Mécanisme de fractionnement des éléments au cours
  de changement d'état (fusion, cristallisation,
  évaporation, condensation)
• Mécanisme de mélange (tendance à
  l homogénéisation)
• fractionnement deux éléments se répartissent
  en proportions inégales entre les minéraux et
  autres phases en présence.

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Propriétés des éléments

• Rappel
• atome noyau, proton, neutron, électron
• ion anion électron(s) en surnombre , cation
  électron(s) en moins.
• Isotopes même nombre de protons mais nombre de
  neutrons différent
• isotopes radioactifs (altération spontanée du
  noyau)
• isotopes radiogéniques résultats de la
  désintégration de l isotope radioactif.
• Isotopes stables nb de protons et neutrons
  immuables

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Classification périodique

• Propriétés géochimiques des éléments sont
  fortement influencées par leur position dans le
  tableau de Mendéléiev.

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Tableau de Mendéléiev
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Quelques familles

• Alcalins Li, Na, K, Rb, Cs
• Alcalino-terreux Be, Mg, Ca, Sr, Ba
• Halogène F, Cl, Br, I
• Famille du Titane Ti, Zr, Hf
• Les Terres rares Lanthanides, Actinides
• Les Gaz rares He, Ne, Ar, Kr, Xe

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Mécanique quantique

• Les éléments appartenant à une même famille
  possèdent des propriétés proches en relation avec
  l organisation de l atome et en particulier des
  électrons suivant des orbitales atomiques.
• La forme des orbitales atomiques est déterminée
  par les  nombres quantiques 

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Le premier nombre quantique (nombre entier
positif)

• 1er nombre quantique  n  définit le niveau
  d énergie générale de l électron. (couches
  électroniques principales représentées également
  par des lettres majuscules
• 1 S
• 2 L ,
• 3 M etc

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Deuxième nombre quantique

• Nombre  l  varie de 0 à n-1
•  n  étant le premier nombre quantique
• Caractérise la forme des orbitales de chaque
  couche usuellement désignée par les lettres
  minuscules s, p, d, f

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Troisième nombre quantique

• Nombre  m  de valeur 0, ou -1, ou - 2, .,
  ou - l.
• où l est le 2e nombre quantique
• Décrit la forme de l orbitale en présence d un
  champ magnétique

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Quatrième nombre quantique

• Nombre  s  décrit le sens de rotation de
  l électron sur lui-même et sur l orbite.

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Principe d exclusion de Pauli

• Deux électrons ne peuvent avoir les mêmes nombres
  quantiques

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Alcalins et alcalino-terreux

• Correspondent au remplissage de l orbitale  s 

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Colonnes intermédiaires

• Correspondent au remplissage des orbitales  d 
• notons que lors du remplissage de l orbitale
   d , les électrons sont en position intérieure
  par rapport aux orbitales  s  d ordre
  supérieur. D où leurs propriétés chimiques très
  proches
• ex. pour V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, la
  formule électronique est Ne 3s2 3p6 3dn 4s2

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Les liaisons chimiques

• He orbitale s complet. La mise en commun des
  électrons impossible sauf sur s2 impliquant
  dépense d énergie trop importante.
• H orbitale 1s à 1 seul électron. Prêt mutuel
  d un électron et d un orbitale. Pas de dépense
  d énergie importante. D où liaison chimique
  favorable

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Nature de la liaison chimique

• Fonction du degré de partage et du temps passé
  par les électrons prêtés en dehors de leurs sites
  (atome) d origine.

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Liaison ionique

• Na Cl- Na cède de façon permanente son
  électron isolé 3s en présence de Cl.
• Ainsi la couche électronique résultante ressemble
  à celle de Ne pour Na et à celle d Ar pour Cl
• Leurs couches électroniques externes sont
  complètement sphériques. (cf. Deux sphères
  électriquement chargées qui s attirent.

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Liaison covalente

• Liaison covalente quand le nombre d électrons
  échangés ne remplit pas les couches externes des
  deux partenaires.
• Deux atomes de H se prêtent mutuellement leur
  électron. Ils se partagent dans le temps la
  présence de 2 électrons.
• 1s forme des orbitales hybrides à géométrie
  complexe.

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Les états de la matière

• Les silicates sont les constituants les plus
  abondants à la surface de la Terre.
• Structure de base un atome de Si entouré de 4
  atomes d oxygène et formant une tétraèdre.
• La liaison Si-O est fortement covalente.
• Hébergement de Fe2, Mg2, Na dans la charpente
  sous forme ionique.

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Les silicates et alumino-silicates

• Tétraèdre isolé Péridots Mg2SiO4
• Tétraèdre en chaîne simple Pyroxènes Mg2Si2O6
• Tétraèdre en chaîne double Amphiboles
  Ca2Mg5SiO8O22(OH)2 Ca2Mg4Al2SiO7O22(OH)2
• Tétraèdre en feuillet Micas, Argiles
  K2Al6Si6O20(OH)4
• Tétraèdre en charpente Quartz et Feldspath SiO2
  , NaAlSi3O8, KAlSi3O8 ...

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Les équilibres géochimiques

• Cadres de la différentiation géochimique de la
  planète Terre
• Géodynamique interne Fusion partielle
• fractionnement géochimique (basalte-péridotite)
  ...
• Géodynamique externe Altération - Érosion
• Granite --gt argile, grès, éléments en solution .
• Différentiation chimique océanique action
  biologique .
• Ces fractionnements sont tous suivis de mélange
  et recombinaison

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Bilans de masse

• Les méthodes d analyses des bilans de masse
  permettent de suivre le processus de de
  différenciation et de mélange
• Possibilités donc de retrouver les produits
  originels .

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(No Transcript)