SILICATES

Les feldspaths

Les feldspaths sont les tectosilicates les plus importants ; ils forment plus de 60 p. 100 de l'écorce terrestre, en tant que minéraux dominants des roches éruptives et métamorphiques. Du point de vue chimique, ce sont des solutions solides du système ternaire KAlSi₃O₈−NaAlSi₃O₈−CaAl₂Si₂O₈ qui se divisent en deux groupes : les feldspaths alcalins, contenant peu de calcium, et les feldspaths calcosodiques ou plagioclases Na_1-xCa_xAl_1+xSi_3-xO₈, dont la teneur en potassium est toujours très faible.

Les propriétés cristallines et physiques des feldspaths, en particulier leur densité et leurs propriétés optiques, présentent des analogies étroites. Cependant, leurs faibles différences ne dépendent pas uniquement de la composition chimique, mais aussi de la température et des conditions de leur cristallisation en même temps que de leur histoire thermique. Aussi le polymorphisme des feldspaths a-t-il fait l'objet de très nombreuses recherches en vue d'expliquer la genèse des roches dont ces minéraux constituent la partie la plus importante. Les résultats qui ont éclairé le plus ces problèmes difficiles de physique cristalline résultent de recherches, poursuivies pendant plusieurs décennies, sur la détermination précise de la position des atomes dans le réseau des différents feldspaths grâce à la diffraction des rayons X.

Le feldspath potassique KAlSi₃O₈ se présente sous une forme stable à haute température, la sanidine, monoclinique, et sous une forme triclinique, le microcline, stable aux basses températures, le point d'une transformation difficile se situant vers 700 ⁰C. L'orthose (ou orthoclase), monoclinique, qui est le nom commun du feldspath potassique, représente un état intermédiaire entre la sanidine et le microcline ; l'adulaire est une orthose qui a cristallisé, à une température voisine de 400 ⁰C, avec un faciès particulier. Ces divers feldspaths proviennent de l'arrangement plus ou moins ordonné des ions Si et Al dont les tailles sont différentes ; comme les distances Si-O et Al-O ont respectivement pour valeur 0,161 nm et 0,175 nm, les rayons X permettent de situer ces atomes Si et Al. Aux températures élevées, les ions Si et Al sont distribués au hasard à l'intérieur des mêmes sites tétraédriques dans un désordre total (cf. feldspaths, fig. 4) ; au contraire, dans le microcline, dont la triclinicité est maximale, les atomes Si et Al occupent des sites bien définis dans un ordre parfait ; mais la cinétique de la transformation est très lente et l'on observe tous les états intermédiaires. Ce degré d'ordre peut être mesuré avec les rayons X ; il fournit une donnée précieuse pour retracer l'histoire thermique des roches qui contiennent ces feldspaths.

On retrouve les mêmes faits structuraux avec l'albite, feldspath sodique NaAlSi₃O₈, qui, à l'état naturel, se présente sous une forme triclinique, ordonnée quant aux Si et aux Al, stable à basse température ; chauffée, elle fournit d'abord l'analbite, triclinique, désordonnée, et, à température plus élevée, la monalbite, monoclinique. L'action hydrothermale de solutions, soit sodiques, soit potassiques, transforme facilement les feldspaths alcalins les uns dans les autres et l'on obtient toujours dans ce cas, même en opérant à des températures relativement basses (ne dépassant pas 400 ⁰C), les formes désordonnées. Les plagioclases constituent une série continue depuis l'albite jusqu'à l'anorthite CaAl₂Si₂O₈.

Les structures atomiques des feldspaths sont très voisines ; ces minéraux possèdent deux clivages faciles dont l'angle est droit dans les formes monocliniques (d'où l'origine du mot « orthose »), très voisin d'un angle droit (90⁰ 30′) dans le microcline ; dans les plagioclases, les clivages sont plus obliques et font un angle voisin de 94⁰. Le baryum peut entrer dans la composition des feldspaths potassiques et l'on connaît, à l'état naturel, le feldspath BaAl₂Si₂O₈, monoclinique : le celsian.

Les feldspaths alcalins sont généralement associés. À température élevée peuvent exister des phases homogènes (K,Na)AlSi₃O₈ depuis l'orthose jusqu'à l'albite ; mais, au refroidissement, deux phases se séparent, l'une riche en potassium, l'autre en sodium, et s'orientent dans des directions cristallographiques bien définies. Cette « épitaxie » est une perthite quand l'orthose domine, une antiperthite quand c'est l'albite. On trouve à l'état naturel et on reproduit au laboratoire des solutions solides d'analbite avec des fortes teneurs de potassium, qui sont des anorthoses ou anorthoclases.

Les feldspathoïdes

Les feldspathoïdes sont des tectosilicates des roches éruptives et des roches volcaniques moins riches en silice que les feldspaths. Citons la néphéline NaAlSiO₄, la kalsilite et la kaliophilite, de formule voisine, la leucite KAlSi₂O₆, que l'on trouve dans les roches volcaniques en trapézoèdres parfaitement réguliers parce que ce minéral a cristallisé à une température supérieure à 625 ⁰C, où il est cubique ; au-dessous de cette température, la leucite devient quadratique, et les cristaux, gardant leur forme, sont constitués par des microcristaux quadratiques maclés. On peut rapprocher de la leucite, par ses propriétés cristallochimiques et parce qu'elle peut apparaître dans les mêmes roches, l'analcime NaAlSi₂O₆.H₂O, cubique, qui est une zéolite. Les silicates du groupe de l'outremer possèdent une charpente aluminosilicique plus ouverte que celle des feldspaths ; ces minéraux cubiques sont principalement la sodalite, de formule Na₈Al₆Si₆O₂₄Cl₂, la noséane Na₈Al₆Si₆O₂₄.SO₄, la haüyne (Na,Ca)_8-4Al₆Si₆O₂₄(SO₄)_2-1, la lazurite ou outremer (Na,Ca)₈Al₆Si₆O₂₄(SO₄,S,Cl)₂ ; le lapis-lazuli, roche constituée presque exclusivement d'outremer, d'une belle couleur bleue, est exploité, depuis des temps immémoriaux, dans les mêmes gisements de l'Hindou Kouch, en Afghanistan, pour la fabrication d'objets d'ornement et, pendant longtemps, fut utilisé comme pigment de peinture. De ce groupe se rapprochent la cancrinite Na₆Ca(Al₆Si₆O₂₄)CO₃.3H₂₀ et les scapolites ou wernérites, solutions solides de la marialite Na₄Al₃Si₉O₂₄Cl et de la méionite Ca₄Al₆Si₆O₂₄(SO₄,CO₃), rencontrées dans des roches métamorphiques ou métasomatiques riches en calcium.

Les zéolites

Les zéolites sont des tectosilicates hydratés dont la charpente aluminosilicique (Al,Si)_xO_2x présente de grandes « cages », communiquant par des « tunnels » plus ou moins larges, où se logent les cations et les molécules d'eau. La structure atomique de ces composés, dont la formule générale peut s'écrire :

L'eau zéolitique. Les zéolites perdent leur eau, dans une atmosphère sèche ou quand on les chauffe, et la récupèrent réversiblement tout en demeurant parfaitement homogènes. On les a comparées à des « éponges » dont la teneur en eau est fonction de la température et de la tension de la vapeur d'eau. Une zéolite déshydratée, dite activée, réabsorbe son eau avec un grand dégagement de chaleur ; mais l'eau peut être remplacée par l'ammoniac, le gaz carbonique, l'hydrogène sulfuré, des molécules organiques, pourvu que leurs formes et leurs dimensions leur permettent de circuler dans les tunnels et d'occuper les cages du réseau cristallin.

La facilité d'échange des cations est une propriété connue depuis longtemps. Au contact de solutions de différents sels dès la température ordinaire, il y a échange des cations Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Ba²⁺. Cette propriété de « permutite » reçoit différents usages, par exemple pour adoucir les eaux. Cet échange des cations s'observe aussi dans les feldspaths et les feldspathoïdes, mais, comme la charpente aluminosilicique de ces tectosilicates est plus compacte, ainsi que l'indiquent les densités (feldspaths, entre 2,6 et 2,7 ; feldspathoïdes, 2,3 et 2,5 ; zéolites, 2,0 et 2,3), il faut opérer dans des conditions hydrothermales, c'est-à-dire à des températures et à des pressions de vapeur d'eau élevées. Les zéolites se comportent en véritables « tamis moléculaires », capables de séparer des cations ou des molécules de dimensions différentes.

Parmi les principales applications industrielles, on peut citer le séchage des gaz et des liquides organiques renfermant des traces d'eau, la séparation des différents carbures dans l'industrie pétrolière, enfin la purification de produits organiques. On utilise généralement, pour ces applications, des zéolites synthétiques.

Les zéolites naturelles comprennent un grand nombre d'espèces que l'on classe en plusieurs groupes d'après les analogies cristallographiques :

– les zéolites fibreuses se présentent en cristaux allongés, avec deux clivages faisant un angle voisin de 90⁰. Ce sont : le mésotype (ou natrolite) Na₂Al₂Si₃O₁₀.2H₂O ; le mésolite Na₂Ca₂(Al₂Si₃O₁₀)₃.8H₂O ; la thomsonite NaCa₂Al₅Si₅O₂₀.6H₂O ; la scolécite CaAl₂Si₃O₁₀.3H₂O ; enfin l'édingtonite BaAl₂Si₃O₁₀.4H₂O.

– Les zéolites lamellaires, avec un clivage parfait, comprennent : la heulandite et la clinoptilolite, qui lui est apparentée, de formule (Ca,Na₂)Al₂Si₇O₁₈.6H₂O ; la stilbite ou desmine, très voisine chimiquement ; l'épistilbite CaAl₂Si₆O₁₆.5H₂O ; la brewstérite (Ca,Ba,Sr)Al₂Si₆O₁₆.5H₂O.

– Dans le groupe de la gismondine (orthorhombique) CaAl₂Si₂O₈.4H₂O, on trouve la laumontite CaAl₂Si₄O₁₂.4H₂O et la mordénite (Ca,Na₂)Al₂Si₁₀O₂₄.7H₂O.

– Le groupe de la phillipsite (monoclinique) KCaAl₃Si₅O₁₆.6H₂O est représenté principalement l'harmotome, de formule BaAl₂Si₆O₁₂.6H₂O.

– Le groupe de la chabasie (rhomboédrique) CaAl₂Si₄O₁₂.6H₂O comprend la gmélinite et la lévyne, avec la même formule chimique.

– La faujasite Na₂CaAl₄Si₈O₂₄.16H₂O et l'analcime NaAlSi₂O₆.H₂O sont toutes deux cubiques.

Parmi les zéolites artificielles, certaines sont des faujasites ou des phillipsites.