Geochimie

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Geochimie

• DEUG STU2

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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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Les équilibres géochimiques

• Exemples de cadres de la différenciation
  géochimique de la planète Terre
• Géodynamique interne Fusion partielle
• fractionnement géochimique (Péridotite - Basalte)
• Géodynamique externe Altération - Érosion
• (Granite - Argile - Grès - autres solutions)
• Différenciation chimique océanique
• action biologique utilisant les éléments dissous

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Equilibres géochimiques

• Géodynamique interne subduction
• mélange convectif du manteau détruisant l effet
  de la différenciation magmatique
• Géodynamique externe suivie de métamorphisme et
  anatexie
• recombinaison (gneiss - granite d anatexie ...)
• Action biologique redissolution des organismes
  morts et autres produits
• mélange

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Équilibres géochimiques

• Les fractionnements sont donc suivies de mélanges
• L analyse des bilans de masse permet de suivre
  les différentes étapes et de remonter au système
  originel constitué par un ensemble de composants
  ou d espèces
• (Un système est un ensemble de composants ou
  d espèces)

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Les composants

• Ce sont des entités chimiques comme
• des atomes
• des ions
• des oxydes
• ils permettent de décrire la composition chimique
  de la roche de façon complète et unique
• ils sont préservés lors des réactions et des
  changement de phase

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Les espèces

• Toutes formes d associations chimiques de
  composants, présentes ou non (exprimées ou
  virtuelles) dans le système
• Ex. 6SiO2, Al2O3, K20 Feldspath (Orthose)
• ou KAlSi3O8 Feldspath (Orthose)
• ou HCO3- dans une solution

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Conservation de la masse Exemple 1

• Un fleuve reçoit l apport d un affluent.
  Connaissant le débit et la composition chimique
  des eaux du fleuve en amont et ceux de
  l affluent, quelle est la composition du fleuve
  en aval?

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Ex.2 et 3

• Quelle est la composition chimique d un sédiment
  dont on connaît la composition et l abondance
  des fractions argileuses et quartzeuses?
• Une lave basaltique laisse précipiter un certain
  pourcentage d olivine de composition connue.
  Quelle est la composition de la lave résiduelle?

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• Ces trois questions font appel à un même principe
   LE TOUT EST LA SOMME DES PARTIES 
• Seule restriction être sûre d avoir identifié
  tous les composants qui forment le système global.

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Conservation de la masse
En divisant ce dernier par
où
C est à dire
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Conservation de la masse

• On peut raisonner de même pour l aluminium
• Permet par exemple de tracer un diagramme CAl/CSi
  montrant la proportion Argile et Quartz ou, pour
  les roches métamorphiques de tracer les
  diagrammes AFM (voir cours de Pétrologie)

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Une roche composée de 2 éléments ne peut être
formée de plus de 2 minéraux
Forstérite Quartz lt--------------gt
Enstatite
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Répartition des éléments en traces

• Règles de substitution
• Les éléments en traces (concentration inférieur à
  1000ppm) se substitue à un élément majeur dans
  son site cristallographique en formant une
  solution continue indépendamment de la
  concentration (loi de Henry)
• Valence et rayon ionique sont les critères
  principaux de substitution

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Lois de substitution

•  Lors d une cristallisation, si 2 ions sont en
  compétition et que leur taille ne diffère pas de
  plus de 15,
• 1) c est le plus petit (Goldschmidt)
• 2) ou celui à plus forte valence (Goldschmidt)
• 3) ou le plus électropositif (Ringwood)
• qui s introduit dans la maille cristalline 

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Substitution (définition)

• Camouflage les ions ont même rayon ionique ,
  même charge, même électronégativité. (ex. Zr, Hf)
• Capture élément en trace possède un plus fort
  potentiel ionique que l élément majeur (ex.
  Ba2, Sr2 vis-à-vis de K)
• Admission cas inverse (Rb et K)

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Coefficient de partage

• La quantification de ces substitutions
  s effectue à l aide d un coefficient de
  partage ou coefficient de distribution.
• Le coefficient de partage est habituellement
  représenté par un Spidergramme (diagramme en
  araignée) (cf. fig. 2.7 p. 26 in Albarède ou
  fig. 2 p.22 in Vidal)
• Lincompatibilité des éléments se traduit par la
  propension des cristaux à les rejeter dans le
  liquide

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Spidergramme représentant la concentration des
éléments en trace dans les MORB et OIB normalisée
à un modèle de concentration du manteau primitif

• Les MORB sont appauvris en éléments incompatibles
  et inversement pour les OIB (Le degré de
  compatibilité augmente vers la droite)

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Fractionnements élémentaires

• Coefficients de partage  K  dépendent
• de la composition des phases (minéraux et
  liquide)
• de la température (T)
• de la pression (P)
• Pour un élément i en solution dans 2 phases j et
  J

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Coefficient de partage  K 
Proportion molaire de l élément i dans la phase j
R constante des gaz parfaits DG0 mesure de
l énergie de l échange de cet élément entre
les deux phases j et J
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Proportion molaire de l élément i dans la
phase jR constante des gaz parfaits (R
PV/T)DG0 mesure de l énergie de l échange de
cet élément entre les deux phases j et J
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Les solutions solides

• Remplacement de
• Mg2 rayon ionique 0,72 par Fe2 Ri 0,61 ou Ni
  Ri 0,69
• Ca2 Ri 1,00 par Yb3 Ri 0,99
• Remarque substitution n est pas tout le temps
  possible si Ri est trop grand ou si ion à trop
  forte charge. Il existe donc des éléments
  incompatibles

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Les sites cristallins

• Site triangulaire (trois voisins)
• site tétraédrique (4 voisins)
• site octaédrique (6 voisins)
• site dodécaédrique (12 voisins)

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LILE / HFSE

• Éléments à gros rayon ionique et faible charge
  (K, Rb, Cs, Ba). LILE Large ion lithophile
  element.
• Éléments à petit rayon et forte charge
  développant un fort champ électrostatique (high
  field-strength elements) Zr, Nb, Th, U
• se substituent mal aux éléments majeurs dans les
  minéraux essentiels

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Fractionnement chimique

• Taux de fusion faible dans manteau et/ou la
  croûte (0,1 à 15)
• Eléments incompatibles (Ba, Th, Nb, La)
  rapidement extraits du résidu
• Concentration inversement proportionnelle au taux
  de fusion
• Eléments compatibles (Ni, Cr, Os, Mg)
• concentration varie peu en fonction du taux de
  fusion (fig. 28, p.27 in Albarède)

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La variabilité des concentrations des éléments
dans les basaltes (mesurée par lécart(type
relatif) diminue avec leur compatibilité

• Daprès Hofmann in Albarède p. 27

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Changements d état( processus de distillation)

• Les fractionnements s effectuent lors des
  changements d état
• Cristallisation fractionnée des magmas
• fusion fractionnée du manteau
• condensation progressive de la vapeur d eau
  atmosphérique
• ébullition des solutions hydrothermales

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cycle de l eau

• Les phases gazeuses sont toujours plus
   légères  que les phases condensées (liquide).

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Quelques processus de distillation
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Les réservoirs

• Roches ignées
• Roches sédimentaires
• Roches métamorphiques
• caractères fusibles ou réfractaires de certains
  éléments
• fusibles Na, K, Al, Si, Ca, Fe
• solubles Na, K, Ca, Mg
• réfractaire Mg, Cr
• insolubles et fusibles Si, Fe, Al

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Noyau et radioactivité

• La radioactivité concerne l instabilité de
  certains noyau
• Elle ne dépend donc pas du cortège électronique
  de l atome d où
• indépendance vis-à-vis de
• environnement physique (pression,température)
• environnement chimique
• qui n affectent que les couches électroniques.

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Processus de désintégration 1

• Processus a (alpha) émission d un noyau
  d Hélium (2 protons 2 neutrons) d où
  diminution de la masse atomique de 4 unités
• ex. 147 Sm ---gt 143Nd a
• les rayons a sont très dangereux pour la matière
  vivante mais peu pénétrants

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Processus de désintégration 2

• Processus b- (lire béta moins) émission d un
  électron et d un neutrino n par le noyau
• ex. 87Rb ---gt 87Sr b- n
• les rayons b- sont des électrons. Un neutron se
  scinde en un électron et un proton. L électron
  émis est alors appelé rayon b
•  A  ne change pas
•  Z  augmente d une unité (1 neutron se
  transforme en 1 proton)

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Processus de désintégration 3

• Capture électronique de la couche K
• ex. 40K e- ----gt 40Ar
• Fission spontanée (atomes lourds 238U)

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Rayon g

• Les différents types de fractionnement radioactif
  sont généralement accompagnés de rayonnement g
  dont l énergie est caractéristique du nucléide.

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Fractionnements isotopiques(ici des isotopes
stables)

• Dépendent de la masse
• Les applications au traçage des phénomènes de
  basse et moyenne température sont fondamentales.
• Ex. fractionnement des isotopes de l Oxygène
  (16O environ 99,8 et 18O) entre l eau liquide
  et la vapeur d eau (ex. nuage)

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Le coefficient de fractionnement avap/liq (T,P)
signale que léchange porte sur un seul
atome.Les propriétés chimiques sont très proches
entre isotopes. Par contre, la mécanique
quantique requiert que lénergie minimale liées à
la vibration des liaisons entre atomes varie avec
la racine carrée de la masse des espèces liées.
La température joue donc un rôle important sur la
stabilité des liaisons et donc le fractionnement
isotopique.
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Échange isotopique

• H218O 1/3 CaC16O3 çè H216O 1/3
  CaC18O3
• La constante d équilibre K est
• K H216OCaC18O31/3/H218OCaC16O31/3
• K CaC18O3/CaC16O31/3/ H218O/H216O1/3
• K est fonction de la température

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Constante d équilibre K rapport produits
/substrats

• Pour les températures inférieures aux conditions
  ambiantes, K 1/T è le fractionnement
  isotopique augmente quand la température baisse
  et est alors total quand T est voisine de 0
  kelvin
• Pour les hautes températures (sup. à la
  température ambiante), LogK 1/T² è le
  fractionnement isotopique tend vers zéro
• Il existe la relation a K1/n è pour un échange
  concernant un seul atome ex. pour H216O
  çèH218O a K
• n nombre d atomes échangés (ici, n1 donc a
  K)

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Fractionnement cinétique

• Les êtres vivants dans leur processus métabolique
  procèdent à un fractionnement isotopique. Ils
  incorporent (ou mobilisent) plus facilement les
  isotopes légers
• fixation préférentiel de 12C à 13C lors de la
  photosynthèse.
• Production de 12C et 16O pendant la respiration.
• Le métabolisme augmente la concentration relative
  en isotopes légers dans l organisme.

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Homogénéisation isotopique

• Loi de l homogénéisation isotopique initiale
   La répartition des isotopes d un élément est
  constante en tout point du système solaire  du à
  un brassage à l origine de la formation du
  système solaire).
• Les isotopes les plus légers sont toujours les
  plus abondants

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Exemples

• Initialement on a la répartition suivante entre
  isotopes
• 12C 98,89 13C 1,11
• 16O 99,763 17O 0,0375 18O 0,1995