Séance n°11 : Formules structurales des minéraux

Composition fine des minéraux : principe de la microsonde

La microsonde est un outil qui permet de déterminer la composition d'une phase (minérale ou autre). Le principe est d'envoyer sur un échantillon un faisceau électronique. Lorsqu'un faisceau électronique bombarde une substance, de nombreux processus se déclenchent : émissions d'électrons rétrodiffusés, d'électrons secondaires par la substance, d'électrons réfractés, dégagement de chaleur, lumière, . L'un des rayonnements secondaires est alors envoyé vers un spectromètre. On obtient alors des informations sur la longueur d'onde, l'énergie, la masse des particules constituant le faisceau secondaire, informations qui permettent d'accéder à la nature des éléments de la substance.


Analyse quantitative

Pour passer à une analyse quantitative, il faudrait connaître tous les paramètres de l'appareillage, en l'occurrence l'intensité du faisceau initial, sa perte d'énergie lors de l'interaction avec la substance, le pourcentage de conversion du faisceau primaire en faisceau secondaire, l'effet de la matrice, l'angle du spectromètre, l'efficacité du détecteur ...

Tous ces paramètres sont très difficiles à connaître avec précision. On utilise alors un standard qui va permettre de faire une comparaison entre la concentration connue d'un élément donné dans le standard avec la concentration du même élement dans l'échantillon. Les conditions de travail pour le standard et pour l'échantillon doivent être rigoureusement les mêmes.

Résultats et avantages de l'analyse des minéraux à la microsonde

La microsonde fournit une analyse quantitative des différents éléments de la substance. Cette analyse est exprimée en %poids d'oxyde, la somme représentant la somme des pourcentages des éléments analysés. La microsonde permet de faire des analyses ponctuelles, de l'ordre de quelques microns carrés. On peut donc avoir une idée de la composition en fonction d'une éventuelle zonation des minéraux.

Calcul des formules structurales : principe

Exemple de l'olivine

L'objectif du calcul des formules structurales est de passer de la composition en %poids d'oxyde donnée par la microsonde en fraction molaire, en respectant la formule de l'architecture du minéral. Par exemple, on va calculer la formule d'une olivine. Les olivines forment une solution solide entre la fayalite (pôle ferrifère) et la forstérite (pôle magnésien).

Soit une olivine dans la composition est  donnée par la colonne [1] :
 

OLIVINE
[1]
Masse Mol.
[2]
Prop. mol.
[3]
Cations/mol

[4]

Nb cations
[5]
Ox/mol

[6]

Nb oxygènes
[7]
Nb/cations
4
[8]
SiO2
34,96
60,09
0,58
1
0,58
2
1,164
0,99
FeO
36,77
71,85
0,51
1
0,51
1
0,512
0,87
MgO
27,04
40,3
0,67
1
0,67
1
0,671
1,14
MnO
0,52
70,94
0,01
1
0,01
1
0,007
0,01
Total
99,29
2,354
Colonne [2] : masse molaire moléculaire
Colonne [3] : proportions moléculaires. Résultat de la division de la composition par la masse molaire de l'oxyde
Colonne [4] : nombre de cations dans une mole d'oxyde
Colonne [5] : nombre de cations à partir de la composition. Multiplier [3] par [4]
Colonne [6] : nombre d'oxygène dans chaque oxyde. Comptabiliser le nombre d'oxygènes dans chaque oxyde
Colonne [7] : multiplier la proportion moléculaire par [3] le nombre d'oxygène [6]. Faire le total
Colonne [8] : diviser le résultat de l'étape [5] par le total de l'étape [7] et multiplier par le nombre d'oxygène du modèle d'architecture (attention : les oxygènes liés à l'eau ne sont pas comptabilisés). Dans le cas de l'olivine, c'est 4.

La formule structurale est :

[Si0,99O4](Fe0,87Mg1,14Mn0,01)

Le rapport Fe/(Fe+Mg) est de 0,43, soit 43% de fayalite dans cette olivine.

Exercices : calculs des formules structurales d'un pyroxène et d'une amphibole

PYROXENE
Masse Mol.
Prop. mol
Cations/mol
Nb cations
Ox/mol
Nb oxygènes
Nb/cations
6
SiO2
50,38
             
Al2O3
3,01
             
TiO2
0,45
             
Fe2O3
1,95
             
FeO
4,53
             
MgO
14,69
             
MnO
0,09
             
CaO
24,32
             
Na2O
0,46
             
K2O
0,15
             
Total
100,03
 

Solution de l'exercice
AMPHIBOLE
Masse Mol.
Prop. mol
Cations/mol
Nb cations
Ox/mol
Nb oxygènes
Nb/cations
23
SiO2
56,16
             
Al2O3
0,2
             
Fe2O3
1,81
             
FeO
6,32
             
MgO
19,84
             
MnO
2,3
             
CaO
9,34
       
 
   
Na2O
1,3
             
K2O
0,14
             
H2O+
2,16
             
H2O-
0,48
Total
100,05
 

Solution de l'exercice

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