logo FB share.png

LA GEOCHIMIE

Par JJ Chevallier sur un canevas de textes de différentes origines Wikipédia, Dr Chabou Moulley Charaf Université Ferhat Abbas, Magali Sautier EMSE Mines St Etienne, David Weir, R.D. Shanon, University of Colorado, Université d'Ottawa.

Mikhaïl Vassilievitch Lomonossov.jpg

Mikhaïl Vassilievitch Lomonossov, 1711-1765.

UN PEU D'HISTOIRE . . . 

La géochimie applique les outils et concepts de la chimie à l'étude de la Terre et plus généralement des planètes. Des échantillons protoplanétaires sont accessibles à l'investigation c'est l'étude des météorites où la présence des éléments chimiques sont déterminés par des méthodes indirectes, ce qui permet à cette science d'étudier l'abondance relative et absolue de ces éléments, leur distribution et leurs migrations lors de la différenciation planétaire. Ces études permettent in fine de chercher des lois générales du comportement de la matière à l'échelle planétaire, ce qui lie cette discipline à la cosmochimie dans la mesure où elle s'intéresse aux processus de formation planétaires et intraplanétaires. En ce qui concerne la Terre, cette discipline a pour objectif la connaissance des cycles par lesquels la plupart des éléments chimiques sont conduits alternativement en surface et en profondeur au sein de la planète. S'agissant du sédiment, la géochimie étudie les phénomènes chimiques qui se déroulent de l'interface eau-sédiment à la profondeur du sédiment lui-même.

C'est Mikhaïl Vassilievitch Lomonossov "Михаи́л Васи́льевич Ломоно́сов", 1711-1765, un chimiste et physicien russe qui est le père de cette science, il étudiait les gisements de minerais au XVIIe siècle. Quelques années plus tard, d'autres chimistes, physiciens et minéralogistes, Martin Heinrich Klaproth, 1743-1817, chimiste, minéralogiste et apothicaire, allemand, Antoine Laurent de Lavoisier,1743-1794, chimiste français père de la chimie moderne, Claude-Louis Berthollet, 1748-1822, chimiste français ou Antoine François de Fourcroy,1755-1809, chimiste français député à la Convention Nationale, fondent les bases de la chimie minérale, la géochimie une des nombreuses disciplines de la géologie.

Le mot a été utilisé la première fois au XIXème siècle,1838, par Christian Friedrich Schönbein, né le 18 octobre 1799 à Metzingen, Duché de Wurtemberg et mort le 29 août 1868 à Sauersberg, près de Baden-Baden, au pays de Bade qui était un chimiste allemand, naturalisé suisse dans le canton de Bâle ville. Ses études de longue haleine permettent en son temps de mieux connaître l'élément oxygène, en particulier la molécule ozone, et les phénomènes associés à la réactivité de l'oxygène. Il avait le premier mis en exergue l’utilité de l’étude des propriétés chimiques des constituants de notre planète. Cette science est donc relativement récente.

C’est en 1908 que la géochimie moderne prends son essor avec la publication de « The data of Geochemistry » de Frank Wigglesworth Clarke (1847-1931), minéralogiste et chimiste américain, un ouvrage de plus de 750 pages. ( 2ème édition 1911 - téléchargeable en anglais ICI).


En 1924 et 1926 paraissent deux ouvrages russes suite au travaux de recherche de Vladimir Ivanovich Vernadsky (1863-1945) et Aleksandr Evgenievich Fersman (1883-1945), le premier "Геохимия" (Geokhimiya) Géochimie et le second "Биосфера" (Biosfera) Biosphère. De 1934 à 1939 Fresman publie 4 volumes. L’ensemble des travaux rédigés russes n’auront pas une forte audience internationale.

 

C’ est le chimiste norvégien Victor Moritz Goldschmidt, né le 27 janvier 1888 à Zurich, mort le 20 mars 1947 à Oslo, que l’on considère comme le père de la géochimie moderne avec Vernadsky et Willesworth. Ses travaux lui permettent d’établir une classification géochimique des éléments, classification de Goldschmidt. Les premiers pas de la géochimie telle qu'on la connaît sont rattachés à une série de publications de Goldschmidt en 1926, sous le titre Lois de répartition géochimique des éléments, ( Geochemische Verteilungsgesetze der Elemente ). La géochimie est alors la science décrivant la distribution des éléments chimiques dans la nature. Cette approche a non seulement profondément dynamisé la minéralogie, mais également l'ensemble de la chimie théorique et de la cristallographie. Les travaux de Goldschmidt sur l'atome et le rayon ionique ont eu un fort impact sur cette dernière discipline ; de là ont émergé les notions de liaison covalente, ionique, et de rayon de van der Waals.

Goldschmidt s'est toujours montré très intéressé par les applications techniques de ses travaux scientifiques. Ainsi lui doit-on l'usage de l'olivine dans l'industrie.


Le Glossary of Geology and Related Sciences, publié en 1960, définit la géochimie comme « la science qui traite de l'abondance absolue et relative des éléments et des isotopes sur la Terre entière, qui traite également de leur distribution et de leurs migrations, en vue d'aboutir à des lois générales du comportement de la matière à l'échelle planétaire ». Mais c’est à partir des années 1950, avec le développement de nouvelles techniques d’analyses, permettant notamment de mesurer des concentrations élémentaires ou des rapports isotopiques, que cette science a pris son essor. Aujourd'hui, la géochimie est la source de multiples découvertes et avancées de premier ordre comme la datation d'objets géologiques

Martin Heinrich Klaproth, 1743-1817.
Antoine François de Fourcroy,1755-1809
Antoine Laurent de Lavoisier,1743-1794.
Christian Friedrich Schönbein 1799-1868.
Claude-Louis Berthollet, 1748-1822.
Vladimir Ivanovich Vernadsky 1863-1945.
Evgenievich Fersman 1883-1945.
Frank Wigglesworth Clarke 1847-1931.
Victor Moritz Goldschmidt 1888-1947.

LES CLASSIFICATIONS GEOCHIMIQUES DES ÉLÉMENTS

La classification géochimique des éléments, aussi appelée classification Goldschmidt résulte des travaux, dans les années 1920, du chimiste Victor Goldschmidt, elle  a été  publiée en 1954, elle est fondée sur les proportions des éléments chimiques de la Terre. Elle met en évidence une relation simple entre la répartition des grandes familles de ces éléments chimiques et la structure interne de la Terre. Elle explique notamment la proportion des terres rares[1] dans les différentes phases minéralogiques lors de la cristallogenèse à partir d'un magma.

C’est la comparaison des analyses de la composition élémentaire des phases minéralogiques, des météorites et des produits de fusion des minerais sulfurés, qui  a orienté Goldschmidt à différencier quatre classes d'éléments selon leur activité géochimique en fonction de leurs propriétés ioniques (rayon atomique et ionique, valence, électronégativité, potentiel d'ionisation, propriétés qui sont liées à leur position dans le tableau périodique des éléments de Mendeleïev) et de leurs positions réciproques dans les structures cristallines[2] :

 

  • lithophiles (pour Goldschmidt ce mot précisait l’affinité pour les silicates puisque le grec λιθος lithos « roche » s’applique essentiellement aux silicates et aluminosilicates), minéraux ayant une relation prépondérante avec l'oxygène et se retrouvent donc parmi les aluminates et les silicates. Les terres rares qui appartiennent aux éléments lithophiles, sont des éléments incompatibles, ils se concentrent dans les liquides silicatés résiduels après cristallisation fractionnée d'un magma ;

  • chalcophiles, qui ont une relation remarquable avec le soufre, pour Goldschmidt, chalcophile signifiait « qui a de l'affinité pour le soufre », remarquons toute fois que χαλκος signifie cuivre en grec ancien ;

  • sidérophiles, qui ont une relation remarquable avec le fer — c'est le sens exact du grec ancien σιδηροφιλος ;

  • atmophiles, qui ont une prépondérance pour les phases fluides — ἀτμος signifie vapeur en grec ancien.

 

Cette classification n'est pas standardisée, et d’autres études répartiront les éléments différemment. Un élément situé à la limite de deux classes, peut avoir selon les cas, un comportement le reliant tantôt à l'une ou l'autre, de ce fait :

 

  • le fer est curieusement par nature à la fois chalcophile, lithophile et sidérophile, ce qui explique son abondance dans la croûte terrestre. 

  • le phosphore est habituellement vu comme lithophile, mais est sidérophile en l'absence d'oxygène.

  • le carbone est habituellement considéré comme atmophile car ses formes solides (charbon, carbonates) sont issues du dioxyde de carbone atmosphérique, il est sidérophile en l'absence d'oxygène.

  • le germanium et l'étain, principalement chalcophiles, ont également des apparences sidérophiles ou même lithophiles.

L'état d'oxydation peut faire varier la situation d'un élément, comme le chrome : Cr3+ qui est chalcophile, mais Cr6+ lui est lithophile[3].

Classification géochimique de Goldschmidt tableau des éléments.

STRUCTURES INTERNES DE LA TERRE

La distinction de classes est liée au modèle de la différenciation géochimique de la planète en un noyau dense formé d'alliages de fer et nickel, entouré d'une enveloppe de sulfure dans la mésosphère, puis de la couche silicate (manteau supérieur et lithosphère), de l'hydrosphère et de l'atmosphère[5] :

  • les atmophiles (H, C, N, O, F, gaz nobles), qui ont une affinité prédominante avec les phases fluides se localisent principalement dans l'atmosphère et l'hydrosphère ;

  • les lithophiles (Si, Al, Na, Fe, Ca, Mg, etc.), à forte affinité avec l'oxygène dans la lithosphère et le manteau supérieur ;

  • les chalcophiles (S, Cu, Zn, Ag), fréquemment associés au soufre dans le manteau inférieur (hypothèse désormais invalidée) ;

  • les sidérophiles (Fe, Ni, Au), préférentiellement associés au fer dans le noyau terrestre.

 

Cette répartition dans les trois principales couches terrestres correspond à la croûte SIAL (silicium et aluminium), au manteau SIMA (silicium et magnésium) et noyau NIFE (nickel et fer), modèle des enveloppes proposé par le géologue Eduard Suess en 1909[6] et encore utilisé par les géophysiciens de l'avant-guerre[7].

Les géochimistes actuels ont amendé, affiné et complété cette vision des quatre grandes familles géochimiques dans les principaux réservoirs terrestres mais cette classification de Goldschmidt reste utile pour appréhender la géodynamique chimique interne globale[8].

Les différentes classifications utilisées en géochimie.

Fondée sur l'électronégativité des éléments.

Elle est basée sur le partitionnement des éléments dans les météorites.

On distingue :

  • Les éléments chalcophiles : affinité avec le soufre,  As, Cu, Zn, Cd, Pb ...

  • Les éléments sidérophiles : affinité avec le fer métallique, Ni, Cr, Co, Pt ...

  • Les éléments lithophiles : affinité avec les silicates, éléments alcalins, alcalino-terreux, Na, K, Ca ....

  • Les éléments atmophiles : les éléments gazeux non combinés, H, N, C et gaz rares.

 

Les éléments sidérophiles sont concentrés dans le noyau terrestre alors que les éléments atmophiles se trouvent principalement dans l'atmosphère terrestre.

 

Notons que certains éléments peuvent appartenir à deux ou trois classes, selon leur charge. Exemple : le fer peut être lithophile, chalcophile et sidérophile.

Fondée sur l'abondance des éléments dans les minéraux et roches

Selon leur abondance en éléments chimiques dans les minéraux et roches.

On distingue :