Karamö, le prof virtuelLeçon 3 sur 19
Éléments de pétrographie générale
Je sais distinguer minéral, cristal et roche, et reconnaître les principaux minéraux grâce à leurs propriétés (dureté, clivage, éclat, trait, densité).
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir minéral, cristal, roche et pétrographie
- Utiliser les propriétés physiques d'un minéral pour l'identifier (échelle de Mohs, éclat, trait, clivage, densité)
- Connaître les principaux minéraux des roches (quartz, feldspaths, micas, calcite, olivine, pyroxènes, amphiboles)
- Calculer une densité à partir d'une masse et d'un volume
Avant de commencer : Leçons du chapitre I (définition et branches de la géologie) ; notions de chimie de collège (atome, élément, formule) ; masse volumique.
1Je découvre
Au bord du Milo, près de Kankan, Kadiatou ramasse trois petits cailloux. Le premier est transparent comme du verre et raye la lame de son couteau. Le deuxième est rose, avec des faces planes et brillantes qui renvoient la lumière. Le troisième est fait de petites paillettes noires qui se détachent en feuillets très fins sous l'ongle.
Son grand frère Ousmane, étudiant en géologie à Conakry, les regarde à la loupe : « Ce ne sont pas des roches, ce sont des minéraux : du quartz, du feldspath et du mica. Et le bloc de granite là-bas, sur la berge, est justement fait de ces trois minéraux mélangés. »
Kadiatou est intriguée : elle croyait qu'un caillou était toujours « une roche ».
Quelle différence y a-t-il entre un minéral et une roche, et comment reconnaître un minéral à l'aide de propriétés simples ?
2Je comprends
1. Minéral, cristal, roche : trois notions à ne pas confondre
La pétrographie est la branche de la géologie qui décrit et classe les roches. Or les roches sont faites de minéraux : avant d'étudier les roches, il faut connaître les minéraux.
Un minéral est un solide naturel, de composition chimique définie (qu'on peut écrire par une formule), dont les atomes sont en général rangés de façon ordonnée et répétitive. Exemples : le quartz (SiO2), la calcite (CaCO3), l'hématite (Fe2O3), l'or natif (Au).
Un cristal est un minéral qui a pu se développer librement et qui présente une forme géométrique limitée par des faces planes. Cette forme extérieure reflète l'arrangement régulier des atomes, appelé réseau cristallin. Un minéral dont les atomes ne sont pas ordonnés est dit amorphe : c'est le cas du verre volcanique.
Une roche est un assemblage naturel de minéraux (un ou plusieurs), qui forme une partie importante de l'écorce terrestre. Exemples : le granite (quartz + feldspaths + micas), le calcaire (presque uniquement de la calcite), le grès (grains de quartz cimentés).
- 1Atomes (Si, O, Al, Fe, Ca…)
- 2Minéral : atomes rangés en réseau, formule chimique définie (quartz SiO2)
- 3Cristal : minéral aux faces planes, visible quand il croît librement
- 4Roche : assemblage naturel de minéraux (granite = quartz + feldspaths + micas)
- 5Paysage : ensemble de roches (plateau de grès, dôme de granite)
2. Les propriétés qui permettent d'identifier un minéral
Sur le terrain, le géologue reconnaît les minéraux grâce à quelques tests simples.
La couleur. C'est la propriété la plus visible, mais la moins sûre : un même minéral peut avoir plusieurs couleurs selon les impuretés. Le quartz peut être incolore, blanc laiteux, rose ou violet.
Le trait. C'est la couleur de la poudre du minéral, obtenue en le frottant sur une plaque de porcelaine non émaillée. Le trait est plus constant que la couleur : l'hématite, grise, noire ou rouge selon les échantillons, laisse toujours un trait rouge brun.
L'éclat. C'est l'aspect de la surface quand elle renvoie la lumière : éclat métallique (pyrite, or), vitreux (quartz), nacré (mica), terne (argile).
La dureté. C'est la résistance d'un minéral à la rayure. Un minéral raye tous ceux qui sont plus tendres que lui. On la mesure avec l'échelle de Mohs, qui classe dix minéraux de référence de 1 (le plus tendre) à 10 (le plus dur).
| Dureté | Minéral de référence | Repère pratique |
|---|---|---|
| 1 | talc | se raye facilement à l'ongle, toucher gras |
| 2 | gypse | rayé par l'ongle |
| 3 | calcite | rayée par une pièce de cuivre |
| 4 | fluorine | rayée facilement par une lame d'acier |
| 5 | apatite | rayée par une lame d'acier |
| 6 | orthose (feldspath) | raye le verre |
| 7 | quartz | raye le verre et l'acier |
| 8 | topaze | raye le quartz |
| 9 | corindon | raye la topaze |
| 10 | diamant | raye tous les minéraux |
Repères utiles : l'ongle a une dureté d'environ 2,5, une lame de couteau en acier ou le verre environ 5,5.
Le clivage et la cassure. Certains minéraux se brisent selon des plans réguliers : c'est le clivage. Le mica se clive en feuillets très minces (un seul plan), la calcite en petits rhomboèdres (trois plans), les feldspaths selon deux plans presque perpendiculaires qui donnent des faces brillantes. D'autres minéraux n'ont pas de clivage et présentent une cassure irrégulière : le quartz a une cassure conchoïdale, en forme de coquille, comme le verre.
La densité. C'est le rapport entre la masse volumique du minéral et celle de l'eau (1 g/cm3). Elle n'a pas d'unité :
d = ρminéralρeau, avec ρ = mV
La plupart des minéraux clairs ont une densité voisine de 2,6 à 2,7. Les minéraux métalliques sont beaucoup plus lourds : pyrite environ 5, hématite environ 5,3, or natif 19,3.
Autres tests. La calcite fait effervescence (dégagement de bulles de gaz carbonique) au contact de l'acide chlorhydrique dilué à froid. La magnétite attire l'aimant.
Méthode
Pour identifier un minéral inconnu :
- J'observe la couleur et l'éclat sur une surface fraîche.
- Je teste la dureté : raye-t-il le verre ? est-il rayé par l'ongle, par l'acier ?
- Je fais le trait sur une porcelaine blanche.
- Je cherche des plans de clivage ou une cassure (conchoïdale, irrégulière).
- J'estime ou je calcule la densité (m ÷ V, V mesuré par déplacement d'eau).
- Je fais les tests particuliers (acide, aimant) et je compare avec un tableau de détermination.
Exemple
Un cristal pèse 13,25 g. Plongé dans une éprouvette graduée contenant 50,0 mL d'eau, il fait monter le niveau à 55,0 mL. Il raye le verre et ne réagit pas à l'acide. De quel minéral s'agit-il probablement ?
Volume du cristal : V = 55,0 − 50,0 = 5,0 mL = 5,0 cm³.
Masse volumique : ρ = m ÷ V = 13,25 ÷ 5,0 = 2,65 g/cm³.
Densité : d = 2,65 ÷ 1 = 2,65.
Il raye le verre (dureté supérieure à 5,5), n'effervesce pas, et d = 2,65 : c'est très probablement du quartz.
Exemple
Un orpailleur de Siguiri trouve une paillette jaune brillant de 0,386 g. Son ami dit que c'est de la pyrite (« l'or des fous », densité voisine de 5). Pour trancher, on mesure son volume : 0,020 cm³. Conclure.
ρ = m ÷ V = 0,386 ÷ 0,020 = 19,3 g/cm³, donc d = 19,3.
La pyrite a une densité d'environ 5 : ce n'est pas de la pyrite.
Une densité de 19,3 correspond à l'or. De plus, l'or est tendre et se déforme sous la pointe d'un couteau, alors que la pyrite est dure et cassante et laisse un trait noir verdâtre.
3. Les principaux minéraux des roches
Plus de 5 000 espèces minérales sont connues, mais une dizaine forment l'essentiel des roches. La plupart sont des silicates : leur brique de base est un tétraèdre formé d'un atome de silicium entouré de quatre atomes d'oxygène (SiO4). En effet, l'oxygène et le silicium sont les deux éléments les plus abondants de l'écorce terrestre.
| Minéral | Composition simplifiée | Aspect | Dureté |
|---|---|---|---|
| Quartz | SiO2 | incolore ou laiteux, éclat vitreux, cassure conchoïdale | 7 |
| Feldspaths (orthose, plagioclases) | silicates d'aluminium avec potassium, sodium ou calcium | blanc, rose ou gris, faces de clivage brillantes | 6 |
| Micas (biotite noire, muscovite blanche) | silicates d'aluminium hydratés | paillettes brillantes en feuillets | 2,5 à 3 |
| Amphiboles (hornblende) | silicates de fer et de magnésium | noir ou vert foncé, en baguettes | 5 à 6 |
| Pyroxènes (augite) | silicates de fer, magnésium, calcium | noir ou vert foncé, trapus | 5 à 6 |
| Olivine | silicate de fer et de magnésium | vert olive, grains vitreux | 6,5 à 7 |
| Calcite | CaCO3 | blanche, rhomboèdres, effervescence à l'acide | 3 |
| Minéraux argileux (kaolinite) | silicates d'aluminium hydratés | poudre fine, plastique quand elle est humide | 1 à 2 |
On distingue les minéraux clairs (quartz, feldspaths, muscovite), riches en silicium et en aluminium, et les minéraux sombres ou ferromagnésiens (biotite, amphiboles, pyroxènes, olivine), riches en fer et en magnésium. Cette distinction servira à classer les roches magmatiques.
Les minerais exploités en Guinée sont aussi des minéraux : la gibbsite (Al(OH)3), principal minéral de la bauxite ; l'hématite (Fe2O3) et la magnétite (Fe3O4) des minerais de fer ; l'or natif ; le diamant (carbone pur, C).
4. Observer les minéraux dans une roche
À l'œil nu ou à la loupe, on voit les minéraux d'une roche grenue comme le granite. Au laboratoire, le pétrographe découpe une lame mince de roche, épaisse de 30 micromètres (0,03 mm), assez fine pour laisser passer la lumière, et l'observe au microscope polarisant : chaque minéral y montre des couleurs et des formes caractéristiques.
3Je retiens
Je retiens
Minéral : solide naturel de composition chimique définie, aux atomes en général ordonnés (quartz SiO2, calcite CaCO3).
Cristal : minéral limité par des faces planes, reflet de son réseau cristallin ; roche : assemblage naturel de minéraux.
Propriétés d'identification : couleur (peu sûre), trait (couleur de la poudre), éclat, dureté (échelle de Mohs de 1 talc à 10 diamant), clivage ou cassure, densité, réaction à l'acide.
Repères de dureté : ongle ≈ 2,5 ; verre et acier ≈ 5,5 ; le quartz (7) raye le verre.
Densité d = ρ minéral ÷ ρ eau, avec ρ = m ÷ V (V mesuré par déplacement d'eau).
Minéraux clairs : quartz, feldspaths, muscovite ; minéraux sombres : biotite, amphiboles, pyroxènes, olivine ; la calcite fait effervescence à l'acide.
4Erreurs fréquentes
- Dire que le granite est un minéral : c'est une roche, formée de plusieurs minéraux (quartz, feldspaths, micas).
- Identifier un minéral par sa seule couleur : la couleur varie avec les impuretés ; il faut croiser trait, dureté, clivage et densité.
- Inverser le sens du test de dureté : si A raye B, c'est A qui est le plus dur.
- Oublier de convertir : 1 mL = 1 cm³, et la densité n'a pas d'unité, contrairement à la masse volumique (g/cm³).
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis minéral, cristal et roche.
b) Pourquoi le trait est-il plus fiable que la couleur pour identifier un minéral ?
c) Qu'est-ce qu'un clivage ? Donne deux exemples de minéraux qui en possèdent.
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a) Un minéral est un solide naturel de composition chimique définie, dont les atomes sont en général rangés de façon ordonnée. Un cristal est un minéral limité par des faces planes, forme qui reflète son réseau cristallin. Une roche est un assemblage naturel d'un ou de plusieurs minéraux.
b) La couleur d'un minéral varie avec les impuretés, alors que la couleur de sa poudre (le trait) reste en général la même d'un échantillon à l'autre.
c) Un clivage est un plan selon lequel un minéral se brise de façon régulière. Exemples : le mica (feuillets), la calcite (rhomboèdres), les feldspaths.
2Exercice 2
Un minéral A raye le verre mais est rayé par le quartz. Un minéral B est rayé par l'ongle. Un minéral C n'est pas rayé par l'ongle, est rayé par une pièce de cuivre et fait effervescence à l'acide.
a) Donne un encadrement de la dureté de chacun.
b) Propose un nom pour chacun à partir de l'échelle de Mohs.
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a) A raye le verre (≈ 5,5) et est rayé par le quartz (7) : dureté comprise entre 5,5 et 7. B est rayé par l'ongle : dureté inférieure à 2,5. C résiste à l'ongle mais est rayé par le cuivre : dureté comprise entre 2,5 et 3 environ.
b) A : orthose (6). B : talc ou gypse (1 ou 2). C : dureté voisine de 3 et effervescence à l'acide (carbonate) : calcite.
3Exercice 3
Un échantillon de minerai de fer de 26,5 g déplace 5,0 cm³ d'eau.
a) Calcule sa masse volumique puis sa densité.
b) Son trait est rouge brun. Quel minéral est-ce probablement ?
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a) ρ = 26,5 ÷ 5,0 = 5,3 g/cm³ ; d = 5,3.
b) Densité voisine de 5,3 et trait rouge brun : c'est de l'hématite (Fe2O3).
4Exercice 4
Classe les minéraux suivants en minéraux clairs et minéraux sombres : quartz, biotite, orthose, olivine, muscovite, hornblende, plagioclase, augite.
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Minéraux clairs : quartz, orthose, muscovite, plagioclase. Minéraux sombres (ferromagnésiens) : biotite, olivine, hornblende, augite.
5Exercice 5
(Type composition) Au laboratoire du lycée de Labé, on donne à Alpha un minéral blanc à éclat vitreux. Il ne raye pas le verre, il est rayé par une pièce de cuivre, il se casse en petits rhomboèdres et une goutte d'acide chlorhydrique dilué provoque une effervescence. Son volume est de 4,0 cm³ et sa masse de 10,84 g.
a) Calcule sa densité.
b) Identifie ce minéral en justifiant chaque observation.
c) Écris sa formule chimique et nomme le gaz responsable de l'effervescence.
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a) ρ = 10,84 ÷ 4,0 = 2,71 g/cm³, donc d = 2,71.
b) Il ne raye pas le verre : dureté inférieure à 5,5. Il est rayé par le cuivre : dureté de 3 au plus. Il se clive en rhomboèdres : trois plans de clivage, caractéristiques de la calcite. Il fait effervescence à l'acide à froid : c'est un carbonate. La densité 2,71 correspond aussi à la calcite. Le minéral est donc de la calcite.
c) Formule : CaCO3. Le gaz dégagé est le dioxyde de carbone (CO2).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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