[Créatives 2S16 #36] GPN89 #Bonus - Géochimie EarthCache

GPN89, késako ?? Granite Pourri en bord de Nationale 89. Après plusieurs centaines de passages devant cet affleurement singulier, nous lui accordons enfin l’attention qu’il mérite. Nous avons, pour notre grand plaisir, réalisé une investigation scientifique. À vous de vivre cette enquête à travers cette mini-série de 3 earthcaches. Vous devrez observer, interpréter et vous appuyer sur les analyses chimiques que nous avons eu le loisir de réaliser.

IMPORTANT : Pour pouvoir résoudre cette cache, vous aurez besoin des informations glanées dans les deux autres caches de la mini-série. Enfin, sa cotation D4.5 n’est pas innocente : il faudra bien comprendre le descriptif et vous creuser un peu la cervelle !

Généralités sur le granite

« Granite » désigne une roche magmatique plutonique grenue (formée de grains). Issu d’un lent refroidissement de grandes masses de magma n’ayant pas atteint la surface, le granite est entièrement cristallisé et les cristaux sont visibles à l’œil nu. Le granite et les roches associées constituent la plus grande partie de la croûte continentale.

Par le jeu de l’érosion ou des soulèvements (formation de chaîne de montagnes), le granite peut affleurer en surface. En France, la quasi-totalité du granite visible est issue d’une très ancienne chaîne de montagnes en grande partie érodée : la chaîne hercynienne. Le massif armoricain, les Ardennes, le socle du massif central et les Vosges sont ainsi les reliques de cette immense chaîne (longue de 3000 km pour 700 à 800 km de large) formée il y a environ 300 millions d’années lors de la collision des continents qui a provoqué la formation du super-continent « Pangée ».

Le granite est constitué par les minéraux suivants :
- du quartz principalement (silice pure SiO₂). C’est le dernier minéral à cristalliser lors du refroidissement, il comble donc les espaces avec des cristaux de formes variées ou bien sous forme de larges veines.
- des feldspaths sodiques (albite NaSi₃AlO₈), souvent blancs.
- des feldspaths potassiques (orthose KSi₃AlO₈), que l’on retrouve souvent sous forme de cristaux rosés vitreux, allongés et de section carrée.
- des feldspaths calciques (anorthite CaSi₂Al₂O₈), rares dans les granites.
- des micas noirs (biotite KFe₂MgAlSi₃O₁₀(OH)₂). Minéraux brun sombre à noir en raison de la présence d’oxyde de magnésium et d’oxyde de fer.

1 : quartz, feldspath calcique, feldspath potassique
2 : feldspath sodique, mica noir

Ces minéraux résultent de l’association de différents oxydes, qui peuvent participer à la formation de plusieurs minéraux. En termes d’oxydes, la composition chimique moyenne du granite est la suivante :
SiO₂ 70 à 77 % ; Al₂O₃ 11 à 15 % ; K₂O 3 à 5 % ; Na₂O 3 à 5 % ; FeO 2 à 3 % ; CaO et MgO 1 % ; TiO₂ < 1 %

Altération du granite : évolution chimique

Les différents minéraux qui constituent un granite ne sont pas sensibles de la même manière à l’hydrolyse (transformation chimique par action de l'eau). Certaines hydrolyses sont assez rapides, d’autres presque inexistantes. En s'intéressant à ce qu'il reste, il est possible d'avoir une idée de ce qui a disparu, et à quel rythme. Pour connaître la constitution d’une roche, une analyse chimique élémentaire peut être réalisée. Nous avons eu l'opportunité de pouvoir réaliser une telle analyse sur la roche qui compose les veines (merci Émilie C. ), dont voici les résultats bruts en ppm (partie par million) :

En tant que tel, ces résultats sont difficiles à exploiter. Pour en tirer des conclusions il est nécessaire de convertir ces mesures en taux des oxydes constitutifs des différents minéraux. Nous avons réalisé cette conversion, vous trouverez le résultat sur place aux coordonnées du poteau en bois.

Chimie de la cristallisation minérale
Dans un magma, on retrouve ces différents oxydes en proportion variable. Lors du refroidissement, ils se combinent et forment des cristaux de formule complexe. Par exemple, l’orthose résulte de la combinaison d’oxyde de potassium, d’alumine et de silice. Voici les équations chimiques de formation des minéraux présents dans le granite :
K₂O + 6 SiO₂ + Al₂O₃ → 2 KSi₃AlO₈ orthose (feldspath K)
Na₂O + 6 SiO₂ + Al₂O₃ → 2 NaSi₃AlO₈ albite (feldspath Na)
CaO + 2 SiO₂ + Al₂O₃ → CaSi₂Al₂O₈ anorthite (feldspath Ca)
SiO₂ (amorphe) → SiO₂ (cristalline, quartz)
X1 K₂O + X2 FeO + X3 MgO + X4 Al₂O₃ + X5 SiO₂ + X6 H₂O → X7 KFe₂MgAlSi₃O₁₀(OH)₂ biotite (mica noir)

Équilibrer une équation de réaction chimique
Lors d’une transformation chimique, les éléments se combinent ou se séparent mais le bilan doit être équilibré. Cela signifie que tous les éléments présents au départ le seront à l’arrivée. C’est le fameux « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». Lorsque les espèces de départ et celles d’arrivée sont connues, on peut écrire l’équation chimique. Par exemple, le dihydrogène H₂ réagit avec le dioxygène O₂ pour former de l’eau H₂O selon O₂ + H₂ → H₂O
Pour rappel, dans une formule chimique les chiffres en indice s’appliquent à l’atome se situant à gauche de l’indice : O₂ signifie « 2 atomes d’oxygène », H₂O signifie « 2 atomes d’hydrogène, 1 atome d’oxygène ». Pour simplifier l’écriture, les « 1 » ne sont pas écrits.
Ainsi, l’équation précédente ne respecte pas la conservation de la matière : à gauche de la flèche, on a 2 atomes d’oxygène et 2 atomes d’hydrogène. À droite de la flèche, on a bien les 2 atomes d’hydrogène mais seulement un atome d’oxygène. Il est donc nécessaire d’équilibrer l’équation. Pour cela, on ajoute des coefficients, devant les espèces, et qui s’appliquent à l’ensemble de l’espèce :
O₂ + 2 H₂ → 2 H₂O
À gauche, 2 atomes d’oxygène et 2x2=4 atomes d’hydrogène. À droite, 2x2=4 atomes d’hydrogène, 2x1=2 atomes d’oxygène, l’équilibre est atteint. La réaction équilibrée signifie « 1 molécule de O₂ réagit avec 2 molécules de H₂ pour former 2 molécules d’eau ».

Attention, interdit de modifier les espèces en ajoutant des indices !! Ainsi, on ne peut pas équilibrer O₂ + H₂ → H₂O en écrivant O₂ + H₂ → H₂O₂. L’espèce formée ici ne serait plus de l’eau mais du peroxyde d’hydrogène (eau oxygénée), elle ne décrit donc plus la réaction à laquelle on s’intéresse.

Un autre exemple, la formation du feldspath potassique KSi₃AlO₈ implique K₂O, SiO₂ et Al₂O₃. On peut donc écrire : K₂O + SiO₂ + Al₂O₃ → KSi₃AlO₈. Une fois équilibrée, cette équation devient : K₂O + 6 SiO₂ + Al₂O₃ → 2 KSi₃AlO₈

Questions

1. TERRAIN + TEXTE LISTING : Des veines de couleur rouille sont présentes sur l’affleurement. Dans quelques millions d’années, quel pourrait être l'aspect de ces veines ? Quel élément chimique est responsable de cette couleur ? D'après les formules chimiques des minéraux, en déduire le premier minéral hydrolysé.
2. TEXTE LISTING : Oups, l’équation de formation du mica noir n'est pas équilibrée ! Équilibrez la et déterminez les coefficients X1 à X7. Allez, on est sympas, on vous dit par où commencer : X7 = 2.
3. TERRAIN : Consultez nos résultats d'analyse (poteau en bois) et la composition moyenne d’un granite, puis calculez les variations relatives des taux d'oxydes. Cette variation r (exprimée en %) se calcule par : r = 100 x (valeur analyse - valeur attendue)/valeur attendue. Pour SiO₂, on obtient r = 100 x (86,81-73,5)/73,5 = + 18% (73,5 pris comme valeur médiane entre 70 et 77).
4. TERRAIN + TEXTE LISTING : Comment expliquer l’enrichissement relatif en silice SiO₂ par rapport à la composition moyenne d'un granite ? En déduire si le quartz peut être hydrolysé.
5. À l’aide des observations sur les 2 autres caches, des formules chimiques des minéraux, et de la comparaison des résultats d’analyse avec la composition moyenne d’un granite donnée plus haut et des résultats à la question 4., classer les différents minéraux (quartz, mica, feldspath calcique, feldspath sodique, feldspath potassique) selon la vitesse de leur hydrolyse, de la plus rapide à la plus lente.
Pour valider votre visite, envoyez vos propositions de réponses à l'adresse mail de notre profil ou via la fonctionnalité de geocaching.com. Nous rappelons que la cotation D est élevée, nous attendons donc un effort de recherche. Ainsi, on préférera une réponse fausse mais justifiée à une réponse juste ne contenant que deux mots... Rassurez-vous, les connaissances spécifiques nécessaires pour répondre sont abordées dans les listings, le reste viendra d'une observation attentive !

Common facts about granite

“Granite” stands for a grained, plutonic magmatic rock. Large bulks of magma which don’t reach the surface slowly cool down in depth, leading to fully crystalized rocks such as granite. Crystals are visible to the naked eye. Granite and associated rocks constitutes the largest part of Earth continental crust.

After erosion or uplifts (moutain chain formation), granite may outcrop. In France, almost the entire visible granite comes from a very old and large mountain chain, mostly eroded, called Hercynian. Armorican Massif, Ardennes, Massif Central and Vosges all are relics from this giant mountain chain (3000 km length, 700 to 800 km width) that formed 300 million years ago during the continents collision that lead to the Pangea super-continent.

Granite is constituted with the following minerals:
- mainly quartz (pure silica SiO₂). As the last crystalizing mineral when the magma cools, it fills spaces with diversely shaped crystal or as large veins.
- sodic feldspar (albite NaSi₃AlO₈), usually white.
- potassic feldspar (orthoclase KSi₃AlO₈), usually found as elongate pinkish glassy crystals with a square section.
- calcic feldspar (anorthite CaSi₂Al₂O₈), quite rare.
- black mica (biotite KFe₂MgAlSi₃O₁₀(OH)₂). This mineral is dark brown or black due to the presence of magnesium oxide and iron oxide.

1 : quartz, calcic feldspar, potassic feldspar
2 : sodic feldspar, black mica

These minerals result from the combination of various oxides, which can contribute to the formation of different minerals. Based on oxide rates, the average chemical composition of granite is:
SiO₂ 70 to 77 % ; Al₂O₃ 11 to 15 % ; K₂O 3 to 5 % ; Na₂O 3 to 5 % ; FeO 2 to 3 % ; CaO and MgO 1 % ; TiO₂ < 1 %

Granite alteration - chemical evolution

The diverse minerals that constitute granite are not equally sensitive to hydrolysis (chemical transformation initiated by water). Some hydrolysis are total and quite fast, others are almost impossible. By analyzing what is left in a rock, it is possible to emit hypothesizes on what disappeared, with what pace. To know the chemical composition of a rock, elementary chemical analysis can be made. We had the opportunity of making such an analysis on the rock that forms the veins (thanks to Émilie C. ), here are the results in ppm (parts per million): :

In this raw form, it is quite hard to make use of these results. In order to formulate hypothesizes, it is necessary to convert these results into rates of oxides that constitute the different minerals. We have done that, you will find the results on site, at the wooden post coordinates.

Mineral crystallization chemistry
Variable proportions of the previously described oxides are found in magma. When it cools, these oxides combine and form crystals of complex chemical formulae. For example, orthoclase is the result of potassium oxide, alumina and silica combination. For the minerals found it granite, here are the chemical equations of formation:
K₂O + 6 SiO₂ + Al₂O₃ → 2 KSi₃AlO₈ orthoclase (K feldspar)
Na₂O + 6 SiO₂ + Al₂O₃ → 2 NaSi₃AlO₈ albite (Na feldspar)
CaO + 2 SiO₂ + Al₂O₃ → CaSi₂Al₂O₈ anorthite (Ca feldspar)
SiO₂ (amorphous) → SiO₂ (crystalline, quartz)
X1 K₂O + X2 FeO + X3 MgO + X4 Al₂O₃ + X5 SiO₂ + X6 H₂O → X7 KFe₂MgAlSi₃O₁₀(OH)₂ biotite (black mica)

Balancing a chemical equation
During a chemical transformation, elements combine, separate but in the end, everything has to be balanced. This means that all the chemical elements being there in the beginning will still be there in the end. This is the famous “Nothing comes from nothing”. When the initial and final compounds are known, the chemical equation can be written. For example, hydrogen H₂ reacts with oxygen O₂ to yield water H₂O according to O₂ + H₂ → H₂O

Reminder: in a chemical formula, subscripts numbers apply to the atom symbol on the left: O₂ means “2 oxygen atoms”, H₂O means “2 hydrogen atoms, 1 oxygen atom”. By convention, “1” is not written.
Then, the previous chemical equation does not satisfy the law of conservation of mass: 2 oxygen atoms and 2 hydrogen atoms are to the left of the arrow while 2 hydrogen atoms and only 1 oxygen atom are to the right of the arrow. The chemical equation needs to be balanced. For this purpose, coefficients can be added to the left of a compound, and it apply to the whole compound formula:

O₂ + 2 H₂ → 2 H₂O
On the left, 2 oxygen atoms and 2x2=4 hydrogen atoms. On the right, 2x2=4 hydrogen atoms and 2x1=2 oxygen atoms. The equation is balanced, and it means “1 O₂ molecule reacts with 2 H₂ molecules to yield 2 H₂O molecules”.

Careful! It is forbidden to modify the chemical formulae by adding subscripts!! Then, O₂ + H₂ → H₂O may not being balanced as writing O₂ + H₂ → H₂O₂. For this equation, the product is not water anymore but hydrogen peroxide. It does not describe anymore the reaction we concern about.

Another example with the formation of potassic feldspar KSi₃AlO₈: this reaction involves K₂O, SiO₂ and Al₂O₃. We may write: K₂O + SiO₂ + Al₂O₃ → KSi₃AlO₈. Balancing this equation leads to the following: K₂O + 6 SiO₂ + Al₂O₃ → 2 KSi₃AlO₈.

Questions

1. FIELD + LISTING TEXT : Rusty veins are present on the outcrop. In a few million years, what could be the appearance of these veins? What chemical element is responsible for this color? According to the minerals chemical formulae, deduce the first hydrolyzed mineral.
2. LISTING TEXT : Oops, the formation equation of black mica is not balanced! Balance it and determine the coefficients X1 to X7. Come on, we're cool, you are told where to start: X7 = 2.
3. FIELD : Visit our analysis results (wooden post) and the average composition of a granite. Calculate relative changes of oxide rates. This variation r (expressed in%) is calculated by: r = 100 × (analysis value - expected value) / expected value. For SiO2, it leads to: r = 100 x (86,81-73,5) / 73.5 = + 18% (73.5 taken as a median between 70 and 77).
4. FIELD + LISTING TEXT : How would you explain the relative enrichment of silica SiO2 compared to the average composition of a granite? Deduce whether the quartz can be hydrolyzed.
5. Using observations on the two other caches, the chemical formulas of minerals, comparison of analysis results with the average composition of a granite and Question 4 results, rank various minerals (quartz, black mica, calcic feldspar, sodic feldspar, potassic feldspar) according to their rate of hydrolysis, the fastest to the slowest.
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