Unsilicate est unselcombinant ledioxyde de silicium SiO2 à d'autresoxydes métalliques. Lesminéraux ayant une composition de silicate sont également qualifiés de silicates et constituent une famille de minéraux extrêmement importante. Enminéralogie, lespolymorphes de la silice sontclassés parmi les silicates.
Les silicates constituent 97 % pds de lacroûte terrestre, et plus de 90 % pds de lalithosphère. Il en existe de nombreuses familles :
Les silicates sont des minéraux dont le squelette est essentiellement formé par destétraèdres desilicium et d'oxygène (SiO4) additionnés d’aluminium,magnésium,fer,calcium,potassium,sodium et autres éléments. Dans quelques rares cas le silicium n'est pas tétraédrique (coordinence 4) mais octaédrique (coordinence 6) comme dans lastishovite SiO2 ou lathaumasite Ca3Si(OH)6(CO3)(SO4) • 12 H2O.
Dans le cas le plus simple, celui desnésosilicates (orthosilicates), les tétraèdres sont présents dans la structure sous forme d'anions (SiO4)4−.
Les tétraèdres SiO4 peuvent mettre en commun un certain nombre d'atomes d'oxygène par les sommets[2] pour former d'autres structures également de petites dimensions.
On distingue ainsi les disilicates (sorosilicates) caractérisés par la présence de l'anion (Si2O7)6− et lescyclosilicates comportant des anions cycliques qui résultent de l'enchaînement de trois, quatre ou six groupes SiO3.
Les anions sont associés à descations qui assurent la neutralité électrique de l'ensemble.
Les tétraèdres SiO4 peuvent s'associer pour former des structures de taille très grande (structurespolymères). Ces structures sont caractérisées par de longs enchaînements covalents -Si-O-Si-O-Si-O- qui peuvent êtreunidimensionnels ou former des réseauxbi- outri-dimensionnels.
Les structures polymères se présentent ainsi sous la forme demacro-anions à extension indéfinie, linéaires comme dans lespyroxènes, en chaînes doubles (rubans) dans lesamphiboles, en feuillets dans lesphyllosilicates, tridimensionnels dans lesaluminosilicates tels que lesfeldspaths, ou sous la forme d'une structuremacromoléculairetridimensionnelle dans lasilice qui peut êtrecristalline ouamorphe.
Ci-contre (et ci-dessous) les modèles moléculaires de macroanions et de la silice cristallisée (atomes Si en gris et O en rouge).Les formules des structures sont écrites selon la notation propre aux polymères :
Les macroanions, comme les anions, sont associés à descations qui assurent la neutralité électrique de l'ensemble.
Dans la macromolécule de silice cristallisée, lemotif de répétition est un tétraèdre qui se répète dans les trois directions de l'espace. Les quatre atomes d'oxygène O aux sommets d'un tétraèdre SiO4 sont mis en commun avec d'autres tétraèdres SiO4. Un atome O est partagé entre deux tétraèdres, il compte donc pour1⁄2 O dans un tétraèdre. Le motif de répétition s'écrit alors SiO4/2, soit SiO2[3]. La formule de la silice s'écrit donc [SiO2]n[4].
![macromolécule [SiO2]n (silice cristallisée, tridimensionnelle - ici : quartz β)](/mt/?noimg=&dark=on&url=https%3a%2f%2ffr.wikipedia.org%2fwiki%2fFichier%3aBeta-quartz-CM-2D-balls.png)
L'indicen est généralement omis dans l'écriture [SiO2]n, et la formule s'écrit simplement SiO2.
Remarque
Les formules des structures peuvent également être représentées avec la charge du macroanion et non celle du motif, par exemple [SiO3]n2n− au lieu de [SiO32−]n[5].
Les macroanions s'associent à des cations minéraux pour former despolymères minéraux[6].
Les proportions desentitésioniques reflètent la neutralité électrique de la matière.
Exemples
Les macroanions linéaires [SiO32−]n s'associent à des cations tels que les ionsLi+,Mg2+,Ca2+,Al3+, pour former despyroxènes :
Remarque
La disposition des tétraèdres dans un macroanion linéaire est alternativement d'un côté et de l'autre de la ligne médiane :
Si l'on tient compte de cette disposition, lemotif de répétition associe maintenant deux tétraèdres consécutifs. Sa formule est [Si2O6]4−([7]).
Les formules des polymères précédents deviennent :
Les silicates peuvent être considérés comme dessels desacides siliciques. Ces sels associent un ou plusieurscationsmétalliques à unoxanion dusilicium. En fonction du rapport Si/O on distingue notamment :
La classification chimique recoupe partiellement la classification structurale. Notamment, les orthosilicates sont en général desnésosilicates, les métasilicates desinosilicates et les pyrosilicates dessorosilicates.
Les géologues ont longtemps considéré les silicates duglobe terrestre comme dessels d'acide silicique issus de ladissolution dudioxyde de silicium. Ils les envisagent désormais comme des édifices chimiques résultant de l'association d'oxygène et de silicium (voire d'aluminium dans le cas desaluminosilicates), formant des tétraèdres (Si, Al)O4 reliés entre eux soit par un ou plusieurs atomes d'oxygène, soit par descations (ceux-ci, tels Mg, Fe, Al se trouvent aux centres d'octaèdres quasi réguliers)[8].
Les silicates peuvent être classés selon plusieurs critères, mais les deux classifications les plus employées en minéralogie sont basées sur l’enchaînement des tétraèdres :
Les sous-catégories définies par ces deux critères sont les mêmes et, dans la plupart des cas, le résultat final est aussi le même. Toutefois, dans le cas d’aluminosilicates dont la structure comporte des tétraèdres centrés sur des cations autres que le silicium et l’aluminium, les deux classifications divergent.
Les principaux groupes de silicates sont :
Les principales différences entre la classification topochimique de Machatski-Bragg et celle topologique de Zoltai sont données dans le tableau suivant.
| Minéral | Formule | Classification topochimique (Machatski-Bragg) | Classification topologique (Zoltai) | Hétéro-tétraèdre(s) |
|---|---|---|---|---|
| Pétalite | [4]Li[4]Al[4]SiO4 | phyllo | tecto | Al, Li |
| α-eucryptite | [4]Li[4]Al[4]SiO4 | neso | tecto | Al, Li |
| Phénacite | [4]Be2[4]SiO4 | neso | tecto | Be |
| Willemite | [4]Zn2[4]SiO4 | neso | tecto | Zn |
| Béryl | [6]Al2[4]Be3[4]Si6O18 | cyclo | tecto | Be |
| Cordiérite | [6]Mg2[4]Al3[4](AlSi5)O18 | cyclo | tecto | Al |
| Hémimorphite | [4]Zn4[4]Si2O7(OH)2 • H2O | soro | tecto | Zn |
| Mélilite | [8]CaNa[4]Al[4]Si2O7 | soro | phyllo | Al |
| Sillimanite | [6]Al[4]Al[4]SiO5 | neso | soro | Al |
Certainesétoiles entourées dematière circumstellaire « froide » — en deçà de la température desublimation des silicates, aux alentours de1 500 K — présentent des grains de poussière constitués de silicates. Leur présence est révélée par desraies spectrales larges caractéristiques des silicates, dans lesbandes spectralesinfrarouges N et Q, à 10 et20 µm respectivement.
Le profil spectral de ces raies, qui dépend du type de silicate, de la géométrie des grains de poussière et de la présence additionnelle d’autres composés (exemple : laglace à moins de300 K), donne des indications sur les conditionsphysico-chimiques des environnements étudiés.
La présence de silicates est fréquemment attestée autour desétoiles jeunes et des étoiles évoluées, notamment dans lesdisques d’accrétion et les enveloppes circumstellaires. En particulier, les silicates sont les principaux constituants desplanètes telluriques duSystème solaire :Vénus, laTerre,Mars et, dans une un peu moindre mesure,Mercure.
On sait que le climat agit sur l'altération des roches, et qu'il existe aussi desboucles de rétroaction faisant que les composés d'altérations modifient le cycle duCO2 et du carbone dans l'océan, et par suite l'évolution du climat[9],[10].
Le lessivage des roches riches en silicates a considérablement augmenté en raison des pratiques humaines d'agriculture, de sylviculture et d'aménagement des sols, d'incendie/écobuage et plus généralement detransformation écologiques des paysages.
De même les phénomènes depluies acides et d'acidification des eaux douces exacerbent localement la dissolution de roches et sols. Ces phénomènes contribuent à dégrader les sols en amont, mais ils contribuent aussi en aval à la formation de rochescarbonatées dans les océans, et donc au transfert de CO2 de l'atmosphère à lalithosphère (« puits de carbone » dans ce cas). L'altération des roches contribue au cycle du carbone[11],[12],[13],[14],[10], dans le contexte dudérèglement climatique a justifié la production d'une cartographie planétaire lithologique (world lithological map) pour 6 grands types de roche par latitude, continents, et bassin de drainage océanique et pour 49 grands bassins fluviaux terrestres. Ce travail de cartographie a été couplé aux modèles disponibles sur le cycle du CO2 pour évaluer la quantité de CO2 atmosphériqueconsommé par les roches durant leur processus d'altération et pour évaluer l'alcalinité apportée par les cours d'eau à l'océan. On a montré que l'altération des roches a dans le passé considérablement varié selon les phasesglaciaires etinterglaciaires despaléoclimats[15]. Parmi les roches silicatés, les schistes (shales) et lesbasaltes[16] semblent jouer une grande influence sur la quantité de CO2 pompée par le processus d'altération du substratum rocheux[9].
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