Les magmas conservent-ils une trace des minéraux dont ils sont issus ?

[jacovador]

Bonjour,

Bien sûr, la composition chimique d'un magma (je le suppose entièrement liquide) est la même que celle des minéraux qui l'ont produit par fusion.
La question que je me pose est celle de la composition "moléculaire" de ces magmas (je sais que le mot moléculaire n'est pas le bon).

Pour moi, un liquide est constitué de "particules" libres de se mouvoir sur de "longues" distances (au contraire des atomes d'un cristal). Que sont ces "particules" dans le cas d'un magma ?

Dans tous les diagrammes de phases minérales que j'ai pu observer (solution solide, eutectique) , on parle toujours des différentes phases solides (les minéraux cristallisés) et du "liquide", sans en dire plus sur le liquide. Je croyais (naïvement) que le liquide obtenu par fusion des minéraux était plus ou moins un mélange d'oxydes (SiO2, CaO, Mg20, Fe0, H2O, ...). Sous cette hypothèse, deux mélanges minéraux de compositions minéralogiques différentes mais de même composition chimique brute, doivent donner le même magma (liquide).

Mais je viens de lire sur Wikipédia (page "Magma"):
Un magma est une roche entièrement ou partiellement fondue. Il comporte nécessairement une phase liquide, généralement composée de silicates et contenant des gaz dissous.

J'en conclus que le magma liquide contient des silicates (comme les cristaux solides dont il est issu) et donc que le magma garde la trace "minéralogique" des roches qui sont à son origine. Est-ce exact ?
Si c'est vrai, il me semble difficile de prévoir le résultat de la cristallisation d'un magma dont on ne connait que la composition chimique.

Merci par avance à ceux qui m'aideront à y voir plus clair.
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[moco]

Au niveau analytique, on donne souvent la composition d'un verre ou d'un magma en proposition des oxydes dont on peut considérer qu'ils formés. Mais il n'y a pas d'oxyde de sodium, d'oxyde de calcium dans un tel milieu. Il n'y a que des ions sodium Na⁺, calcium Ca²⁺, ainsi que d'autres métaux. Et il y a des ions silicates. Mais on a hélas de la peine à donner une formule à ces ions silicate, car ils sont en général de formule (SiO₃^2-)_n. Et c'est presque impossible de définir une valeur moyenne de ce paramètre n. Il peut varier d'un point à l'autre du verre fondu.

[jacovador]

Au niveau analytique, on donne souvent la composition d'un verre ou d'un magma en proposition des oxydes dont on peut considérer qu'ils formés. Mais il n'y a pas d'oxyde de sodium, d'oxyde de calcium dans un tel milieu. Il n'y a que des ions sodium Na⁺, calcium Ca²⁺, ainsi que d'autres métaux. Et il y a des ions silicates. Mais on a hélas de la peine à donner une formule à ces ions silicate, car ils sont en général de formule (SiO₃^2-)_n. Et c'est presque impossible de définir une valeur moyenne de ce paramètre n. Il peut varier d'un point à l'autre du verre fondu.

Merci Moco pour votre réponse.

Si je comprends bien il y a une dissymétrie entre les métaux : le silicium forme des ions silicates (anions) et les autres métaux : Ca, K, Fe et Mg sont présents sous forme de cations Ca++, K+, ...
Et pour l'aluminium ? Forme-t-il un cation ou bien se substitue-t-il au silicium dans des anions tétraédriques ?

Toujours si je comprends bien, le liquide résultant de la fusion d'un mélange de silicates est un mélange ionique de cations métalliques et d'anions silicates et il ne garde pas trace des minéraux dont il est issu (mise à part la composition chimique moyenne).

[moco]

Pour l'aluminium je ne sais pas bien. Je doute fort qu'il fasse des ions Al3+. Il devrait plutôt former des structures polymérisées gouvernées par les liaisons Al-O, comme dans le corindon. . Mais pour répondre à ta dernière question, il est vrai que le liquide résultant de la fusion de silicates est un mélange de cations métalliques et d'anions de polysilicates, où n'apparaît plus la structure des minéraux solides avant la fusion.

[A voir en vidéo sur Futura]

[jacovador]

Encore merci.

[Opabinia]

Bonjour,

Pour d'autres recherches de structures, se reporter à ce lien.

Un magma est un mélange à nombre élevé de constituants, difficilement représentable sur un diagramme à deux dimensions, et dont la composition rapportée à une mole de silicium pourrait être sommairement représentée par une formule du type (MO)_x(Al₂O₃)_ySiO₂ .
Deux autres constituants (non représentés dans la formule) interviennent par ailleurs:
# l'eau, qui présente un très fort pouvoir dissolvant à température élevée (au-delà de 300 °C) et dont la présence joue un rôle déterminant dans l'apparition de la phase liquide;
# le dioxyde de carbone, qui donne lieu (comme l'eau) à un dégazage plus ou moins brutal lorsque le magma s'approche de la surface, et que la pression diminue.

La nature et la composition des cristaux formés dépendent des conditions locales (composition, température et pression du liquide).

[Opabinia]

Tu peux aussi consulter l'article silicates d'aluminium,
ainsi que le site de géologie de l'Université de l'Arizona.

Le magma contient des anions condensés (Si_nO_p) de structure désordonnée, résultant de l'enchaînement d'un nombre variable de tétraèdres (SiO₄) par un ou deux (voire trois) de leurs sommets (les atomes d'oxygène); les cations présents (Al³⁺, M²⁺), généralement entourés de 6 atomes d'oxygène, y forment des structures labiles, constamment détruites et renouvelées sous l'effet de l'agitation thermique.

Le cation (Al³⁺) s'apparente par sa relative petitesse et sa charge à celui du silicium (Si⁴⁺), et peut partiellement s'incorporer à des unités structurales (AlO₄) elles aussi tétraédriques, et dont la cohésion est assurée par des liaisons covalentes (comme dans SiO₄).

[jacovador]

Merci Opabinia pour ces informations et pour ces liens.

Je retiens en particulier que les atomes d'aluminium peuvent avoir deux fonctions :
1) ils peuvent jouer le rôle de cation Al+++ équilibrant les anions silicates
2) ils peuvent se substituer aux atomes de silicium dans des tétraèdres SiO4, ce qui apporte un déséquilibre de charge électrique et permet d'insérer d'autres cations : Ca++, Na+, K+

Je comprends aussi qu'un magma de silicates est un liquide ionique où les cations et anions sont assez libres de leurs mouvements (comme Na+ et Cl- dans du sel fondu ?).
Mais me vient une question : dans le cas de la silice pure (tectosilicate), que sont les anions et que sont les cations ? SiO4---- et Si++++ ?

Amicalement,

[Opabinia]

... Mais me vient une question : dans le cas de la silice pure (tectosilicate), que sont les anions et que sont les cations ? SiO4---- et Si++++ ?

La silice fondue (SiO₂) n'est pas conductrice, ou présente tout au moins, à une température donnée, une conductivité très inférieure à celle d'un verre (SiO₂, x Na₂O) ou de l'un des composés que tu as évoqués (par ex. KAlSi_nO_2n+2), à l'état liquide.
La conductivité est en effet liée à la présence d'ions mobiles dans un champ électrique, et des cations tels que (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) assurent à eux seuls le transport du courant - la contribution des anions est beaucoup plus faible, en raison de leur mobilité réduite.
La silice fondue, quant à elle, est un polymère tridimensionnel; et si la rupture hétérolytique d'une liaison covalente apparaît probable à haute température:

≡Si─O─ <===> ≡Si⁺ + ^-O─ ,

celle de 4 ou 6 liaisons, indispensable à l'apparition de petites espèces chargées comme (SiO²⁺) ou (SiO₃^2-) l'est beaucoup moins.

# Sur le site http://rruff.geo.arizona.edu/AMS/amcsd.php
tu peux voir les structures cristallines de quelques silicates d'aluminium en tapant dans la première ligne <Mineral>
les noms correspondants: Andalusite / Kyanite / Sillimanite ,
puis en cliquant sur <View JMOL 3-D Structure (permalink) >.
On y retrouve les tétraèdres (SiO₄) et les octaèdres (AlO₆) plus ou moins déformés;
la maille du réseau de la sillimanite contient 4 tétraèdres (AlO₄).

[Tawahi-Kiwi]

Je retiens en particulier que les atomes d'aluminium peuvent avoir deux fonctions :
1) ils peuvent jouer le rôle de cation Al+++ équilibrant les anions silicates
2) ils peuvent se substituer aux atomes de silicium dans des tétraèdres SiO4, ce qui apporte un déséquilibre de charge électrique et permet d'insérer d'autres cations : Ca++, Na+, K+

Salut,

tu devrais te pencher sur les etudes des liquides magmatiques et entre autre, toute la theorie des network former, network modifier, bridging oxygen and non-bridging oxygen qui n'est pas fondamentalement differente de l'etude des verres.

Pour les liquides silicates classiques (picritique a trachytique), ca fonctionne assez bien pour expliquer le comportement des magmas.
Si, une bonne partie de l'Al et Ti, un peu de Fe forme un reseau plus ou moins polymerise. C'est la raison pour laquelle un magma rhyolitique (~75 wt.% SiO₂) est beaucoup beaucoup plus visqueux qu'un magma basaltique (~50 wt.% SiO₂)
Na, K, Ca, Mg n'ont pas de 'bridging oxygen' et ont donc tendance a diminuer le niveau de polymerisation du liquide. Les volatils on un effet encore plus important sur cette depolymerisation du reseasu silicate et peuvent donc diminuer tres fortement la viscosite de certains magmas.

C'est pour les liquides silicates classiques qui composent la majeure partie des magmas (avec leurs composantes cristallines, volatils exsolves et immiscibilite). Une fois qu'on va dans les choses plus extremes naturellement parlant (tres haute pression, immiscibilites multiples, liquides carbonates, phosphates, ferroxydes, sulfures, gels pegmatitiques etc., et aussi tres proche du solidus, les choses sont evidemment differentes)

Concernant des structures cristallines preservees au dela de la fusion, si je me souviens bien, c'est oui et non. On retrouve experimentalement des chaines inosilicatees dans les liquides basaltiques, voire des fragments de phyllosilicates dans des liquides plus felsiques, mais a mon avis c'est une question de temps avant que de tels elements polymerises soient decomposes et recomposes en d'autres structures plus simples.

Si c'est vrai, il me semble difficile de prévoir le résultat de la cristallisation d'un magma dont on ne connait que la composition chimique.

A l'equilibre, non, les previsions sont tres solides et ont peut predire de tres nombreuses choses sur l'etat final d'un liquide silicate refroidi (la composition mineralogique etant l'etape la plus simple de la modelisation).
Hors equilibre, c'est different et beaucoup plus de parametres rentrent en ligne de compte.

T-K

[jacovador]

La silice fondue (SiO₂) n'est pas conductrice, ou présente tout au moins, à une température donnée, une conductivité très inférieure à celle d'un verre (SiO₂, x Na₂O)

Merci Opabinia pour cet argument. En effet, si la silice fondue ne conduit pas l'électricité c'est qu'elle n'est pas trop ionique.

Sinon, quand je regarde la "tête" de l'andalusite sur le site que tu cites, je me rends compte que :
1) j'ai du mal à voir dans l'espace les structures cristallines (même en les faisant "bouger"). Voir les tétraèdres et les octaèdres n'est pas simple (pour moi).
2) je ne comprends pas le sens des "barres" qui relient les atomes. Pour l'andalusite, en comptant (patiemment) les atomes des 3 couleurs, j'arrive à me convaincre que ocre=Si, gris=Al et rouge=O.
Tous les atomes de silicium sont bien reliés à 4 atomes d'oxygène (tétraèdre), mais, les atomes d'aluminium sont parfois reliés à 5 atomes, parfois à 3 et parfois à 7. Quant aux atomes d'oxygène, il sont reliés à 2 ou 3 atomes.
Du coup, que représentent les "barres" ?
On ne voit pas les liaisons covalentes ni les liaisons ioniques sur ces représentations ?

[jacovador]

Salut,

tu devrais te pencher sur les etudes des liquides magmatiques et entre autre, toute la theorie des network former, network modifier, bridging oxygen and non-bridging oxygen qui n'est pas fondamentalement differente de l'etude des verres.

Je m'aperçois que les choses sont souvent beaucoup plus compliquées que je ne le croyais et que pour progresser, de gros investissements sont nécessaires. Je ne sais pas si j'en aurai le courage ...

A l'equilibre, non, les previsions sont tres solides et ont peut predire de tres nombreuses choses sur l'etat final d'un liquide silicate refroidi

ça me rassure.
Merci T.K.

[Sethy]

Merci Opabinia pour cet argument. En effet, si la silice fondue ne conduit pas l'électricité c'est qu'elle n'est pas trop ionique.

Sinon, quand je regarde la "tête" de l'andalusite sur le site que tu cites, je me rends compte que :
1) j'ai du mal à voir dans l'espace les structures cristallines (même en les faisant "bouger"). Voir les tétraèdres et les octaèdres n'est pas simple (pour moi).

Le mieux est de faire l'expérience avec des balles de ping pong (ou de pétanque si tu en as un paquet sous la main).

Lorsque tu places une première couche compacte de balles, tu n'observes rien de particulier, si ce n'est des triangles orientés dans deux directions différentes.

Lorsque tu places une seconde couche, tu vas te rendre compte que tu dois choisir entre les triangles dans un sens ou dans l'autre. Il n'est pas possible de combler les 2 sortes de triangles.

Enfin, à nouveau, le problème va se poser lors de la 3ème couche à poser. Soit tu vas continuer à décaler la couche (3ème par rapport à la 2ème) soit au contraire, tu vas mettre la 3ème couche pile au dessus de la première.

Dans le premier cas, tu n'auras que des cavités tétrahédrique et dans le second tu vas avoir des cavités moins nombreuses mais beaucoup plus spacieuse qui seront octaédrique.

Mais je conseille vraiment de le faire par soi-même. C'est un "truc" qu'il faut voir et avec lequel il faut un peu jouer pour saisir l'astuce.

Ici tu as une vue de côté qui montre le décalage entre les couches et les deux options : https://fr.wikipedia.org/wiki/Empile...e_sph%C3%A8res

[jacovador]

Il ne me reste plus qu'à acheter une centaine de boules pétanque et une table assez solide !
Merci Sethy

[Opabinia]

Prendre une balle de ping-pong sur le pied présente moins de risque qu'une boule de pétanque

1) ... j'ai du mal à voir dans l'espace les structures cristallines (même en les faisant "bouger"). Voir les tétraèdres et les octaèdres n'est pas simple (pour moi) ...

Il est en effet assez difficile de faire apparaître le détail des structures, compte tenu de la complexité du motif cristallin; il faut rechercher une perspective appropriée, montrant tous les éléments recherchés.
La maille est ici orthorhombique (prime droit à base rectangulaire), et caractérisée par trois paramètres (a, b, c); l'origine (O) du repère figure à gauche, en bas et à l'arrière sur le schéma ci-dessous (image de gauche).
Les ions aluminium s'alignent sur les droites parallèles au troisième axe, donc aux arêtes de longueur (c).

Les sphères représentées, comme les cylindres, n'ont qu'un signification géométrique et permettent simplement de montrer l'arrangement mutuel dans l'espace des atomes (ou des ions) les plus proches. Le modèle ne préjuge en aucune façon de la nature des liaisons assurant la cohésion de l'édifice.
Les centres des sphères coïncident avec les noyaux atomiques et correspondent à un maximum local de densité électronique, que l'on sait détecter et mesurer par la diffraction des rayons X.
Les cylindres rendent visibles les segments joignant chaque noyau à ses plus proches voisins.

Un modèle strictement ionique suppose l'empilement de sphères rigides en contact avec leurs plus proches voisines, de charges opposées; on ne devrait donc trouver ici que deux sortes de distances, données par la somme des rayons ioniques correspondants:

D_Si-O = R_Si⁴⁺ + R_O^2- , D_Al-O = R_Al³⁺ + R_O^2- ;

or ce n'est pas le cas, comme en témoigne la distorsion manifeste des octaèdres (AlO₆), qui sont allongés.

C'est pourquoi on ne parle généralement que d'"atomes", lors de la description d'un réseau cristallin, sans s'embarrasser de la nature exacte des liaisons - qu'une étude beaucoup plus poussée de la densité électronique et des charges locales pourrait élucider.
Les liaisons (Si-O) sont essentiellement covalentes; elles présentent un caractère ionique nettement inférieur à celui des liaisons (Al-O), parce que le cation (Si⁴⁺), plus petit et plus chargé que (Al³⁺), est plus polarisant et déforme plus fortement vers lui les nuages électroniques des anions oxyde (O^2-).

Les sphères de Van der Waals représentent la taille propre des atomes; une représentation plus "réaliste" de la structure du cristal conduit à utiliser un réseau tridimensionnel de sphères tronquées, qui montre mieux la compacité de l'édifice, mais en estompant ses propriétés géométriques et ses symétries (image de droite).

[Opabinia]

Le cristal d'andalousite résulte de l'empilement en quinconce de rangées rectilignes d'octaèdres (AlO₆), partageant deux sommets de leur base avec celles des deux octaèdres voisins.
Les centres de ces octaèdres s'alignent sur des droites parallèles à (z'z); il s'agit soit des arêtes de longueur (c), soit de la médiane joignant les faces rectangulaires de dimensions (a, b)
Les deux octaèdres positionnés sur cette dernière apparaissent complètement; il s'agit des polyèdres (ABEDGI), (BCFEHJ), respectivement centrés en (P) et (Q).

Les 4 cations (Si⁴⁺) constituent un sous-réseau orthorhombique à faces centrées, de paramètres identiques à celle de la maille d'origine.

Il serait d'ailleurs intéressant de vérifier si cette structure (a = 7.7980 Å, b = 7.9031, c = Å 5.5566 Å) ne s'apparente pas à une structure plus simple, de maille quadratique (a = b ≠ c).

[Tawahi-Kiwi]

Tous les atomes de silicium sont bien reliés à 4 atomes d'oxygène (tétraèdre), mais, les atomes d'aluminium sont parfois reliés à 5 atomes, parfois à 3 et parfois à 7. Quant aux atomes d'oxygène, il sont reliés à 2 ou 3 atomes.

Pour l'andalousite, la coordination de l'aluminium est octaedrique [6], mais il y a egalement des polyedres de coordination [5]. Pour les polymorphes sillimanite (haute temperature), il y a meme des coordinations tetraedriques [4] de l'aluminium alors que pour la cyanite (polymorphe haute pression), l'aluminium est uniquement octaedrique.

C'est un cas (parmi de nombreux autres) pour demontrer l'impact de la pression sur les structures cristallines minerales (coordination 6 prend moins de place que 5 ou 4, du coup, quand la pression augmente, c'est favorise; d'autres exemples classiques sont le calcium dans la calcite/aragonite ou le silicium dans le quartz et la stishovite).

La meme chose est sensee avoir lieu avec la temperature, un polymorphe de temperature plus elevee devrait favoriser des coordination plus faibles mais il y a trop d'exceptions pour en faire une regle utile. Neanmoins (et pour revenir sur le sujet initial), c'est une des raisons pour lesquelles un partie considerable de l'alumine dans un magma est consideree sous forme tetraedrique; meme chose pour le titane (alors qu'il est uniquement octahedrique en phase solide).

T-K

[jacovador]

Merci à Opabinia et Tawahi-Kiwi pour vos réponses concernant la difficulté d'imaginer et de comprendre les structures cristallines.
Merci en particulier à Opabinia pour ses dessins et pour l'explication concernant la "longueur" théorique d'une liaison ionique.

Mais, ma question initiale ne concernait pas la structure des silicates. Elle concernait la structure du liquide de fusion de ces silicates.
Je voulais me rassurer sur la validité des diagrammes de phases, dans lesquels, la représentation de l'état physique d'un magma liquide peut se résumer à température, pression et composition chimique. Pour cela, il faut que plusieurs magmas liquides de même composition chimique aient la même structure et le même comportement, quelque soit les mélanges de silicates qui sont à leur origine.
Le fil de discussion m'a rassuré sur ce point.
Encore merci à vous pour vos éclaircissements. Bonne journée.

[jacovador]

Une autre façon de se rassurer sur la structure des liquides, c'est de se dire que les minéraux solides (de même composition chimique mais de structure différente) ont des noms différents (par exemple, le quartz et la stishovite), alors qu'à l'état liquide, tout le monde parle de silice fondue.

[Tawahi-Kiwi]

la représentation de l'état physique d'un magma liquide peut se résumer à température, pression et composition chimique.

Oui, a l'equilibre, tout cela fonctionne bien; on inclut souvent fO₂ comme variable, mais cela peut etre exprime comme faisant partie de la composition chimique. Evidemment, decrire tout avec (P,T,X) est un cas ideal dont la nature aime s'ecarter.

T-K

[jacovador]

Evidemment, decrire tout avec (P,T,X) est un cas ideal dont la nature aime s'ecarter.

Oui, la nature est assez indocile.
Mais c'est un peu là son charme ...
Et moi, ma tête aime bien les choses simples.