Élément chimique

Roches sédimentaires

La décomposition des roches préexistantes par les intempéries, le transport et le dépôt des produits d'altération sous forme de sédiments et la formation éventuelle de roches sédimentaires pourraient produire un mélange brut de matériaux, ce qui empêcherait une différenciation géochimique plus poussée des éléments. Ce n'est pas le cas; les processus sédimentaires produisent fréquemment des concentrations remarquables d'éléments, conduisant à des dépôts presque purs de certains minéraux. Certains grès, par exemple, contiennent plus de 99% de quartz et certains calcaires plus de 99% de carbonate de calcium. L'ultime est atteint dans les dépôts de sel, avec de vastes lits d'anhydrite (CaSO ₄), de gypse (CaSO ₄ · 2H ₂O), halite (NaCl) et autres composés. Goldschmidt a comparé le processus sédimentaire à une analyse chimique quantitative, impliquant la séparation successive d'éléments spécifiques ou de groupes d'éléments.

Le quartz (SiO ₂) est très résistant aux intempéries et s'accumule sous forme de dépôts de sable. Une fois consolidés, ces dépôts forment des grès, un groupe important de roches sédimentaires. Dans des conditions spéciales, presque tous les minéraux peuvent être déposés dans des grains de la taille d'un sable, mais la plupart des minéraux sont finalement décomposés par les intempéries. Quelques uns résistants peuvent survivre et être suffisamment concentrés pour former des dépôts économiques appelés placers; les plus connus sont probablement les sables aurifères, sources importantes de cet élément, mais les gisements de sable peuvent avoir des concentrations économiques de zirconium (comme le zircon minéral, ZrSiO ₄), de titane (comme rutile, TiO ₂ et d'ilménite, FeTiO ₃), l'étain (sous forme de cassitérite, SnO ₂) et d'autres.

Les aluminosilicates des roches ignées, principalement les feldspaths, (K, Na) AlSi ₃ O ₈ et (Na, Ca) (Al, Si) ₄ O ₈, sont relativement facilement décomposés par l'altération. Les éléments alcalins et le calcium sont largement emportés en solution, tandis que l'aluminium et le silicium sont rapidement redéposés sous forme de minéraux argileux insolubles. Une fois consolidés, ces minéraux forment des schistes et des mudstones. Les minéraux ferromagnésiens subissent une décomposition plus complexe, conduisant parfois au dépôt de sédiments riches en fer constitués en grande partie d'oxyde ferrique hydraté; ces sédiments sont des minerais de fer précieux dans de nombreux pays.

Le calcium est emporté en solution principalement sous forme de bicarbonate de calcium, Ca (HCO ₃) ₂. La majeure partie de cette substance atteint finalement la mer, où elle est utilisée par une grande variété d'organismes comme matériau squelettique sous forme de calcite et d'aragonite (polymorphes - différentes formes - de CaCO ₃). L'accumulation de matériaux squelettiques après la mort des organismes a formé d'importants dépôts de calcaire au cours de la période géologique. Le magnésium dans l'eau de mer peut réagir avec le carbonate de calcium pour former de la dolomite, CaMg (CO ₃) ₂, et de cette façon, du magnésium est retiré de la solution et déposé dans les sédiments.

Cependant, une grande partie du magnésium reste dans l'eau de mer, qui est essentiellement une solution diluée de chlorures et sulfates de magnésium, de calcium, de sodium et de potassium, avec de nombreux autres éléments en petites quantités (voir le tableau). Dans des circonstances géologiques particulières, les plans d'eau de mer peuvent être coupés du large et, dans des conditions arides, l'eau s'évapore et de vastes lits de sel se déposent. De telles conditions se sont produites dans différentes régions au cours de la période géologique, et les dépôts de sel qui en résultent sont économiquement importants en tant que sources de sodium, potassium, calcium, magnésium, chlore et soufre.

Les trois principaux groupes de roches sédimentaires sont les grès, les schistes et les roches carbonatées (calcaires et dolomites). Beaucoup moins de recherches géochimiques ont été consacrées aux roches sédimentaires qu'aux roches ignées, et les données concernant leur contenu en éléments mineurs et traces sont donc moins étendues. Les chiffres du tableau montrent que les éléments mineurs et oligo-éléments ont généralement tendance à être plus concentrés dans les schistes que dans les grès et les roches carbonatées.

Le problème de parvenir à une composition moyenne pour toutes les roches sédimentaires n'est toujours pas résolu, principalement en raison de l'incertitude des quantités relatives de schistes, de grès et de roches carbonatées. À partir d'arguments géochimiques, Clarke a estimé les pourcentages relatifs de ces trois groupes à 80: 15: 5, respectivement. Les mesures réelles des roches sédimentaires suggèrent cependant que ces chiffres surestiment la quantité de schistes et sous-estiment celle des calcaires. Ainsi, une compilation des quantités enregistrées de schistes, grès et calcaires sur plus de 213 000 mètres (700 000 pieds) de formations rocheuses sédimentaires a donné des pourcentages relatifs de 46:32:22, respectivement. L'identification d'une formation comme calcaire, grès ou schiste, cependant, est susceptible d'être grossière; les schistes contiennent généralement beaucoup de sable, les grès peuvent transporter beaucoup d'argile et le terme calcaire est appliqué à de nombreuses roches contenant 50 pour cent ou moins de carbonate. Il semble cependant que les calcaires occupent une place plus importante dans les archives géologiques que ce que l'on pourrait attendre des calculs géochimiques; cela reflète probablement le fait que les environnements en eau peu profonde sont les grands lieux de dépôt de carbonate, tandis que les profondeurs océaniques sont le dépôt principalement de sédiments riches en argile.

Roches métamorphiques

Comparativement, peu d'études ont été faites sur la composition élémentaire des roches métamorphiques. Beaucoup de ces roches conservent les caractéristiques géochimiques de leurs matériaux ignés ou sédimentaires parents, et leur composition en vrac a peu changé malgré la recristallisation complète et la production de nouveaux minéraux et structures dans certains cas. Cependant, certaines roches métamorphiques ont été considérablement modifiées par la suppression de certains composants et l'ajout d'autres.

La Commission géologique du Canada a effectué une étude approfondie d'une grande partie du Bouclier canadien, une région de géologie complexe constituée en grande partie de roches métamorphiques. À partir d'une collection de plus de 8 000 échantillons de substratum rocheux, les abondances moyennes de tous les éléments majeurs et d'un certain nombre d'éléments mineurs et d'oligo-éléments ont été déterminées; les chiffres sont donnés dans le tableau. Comme on pouvait s'y attendre, la composition moyenne n'est pas très différente de la composition moyenne des roches ignées. Il montre une teneur en silicium quelque peu plus élevée, reflétant probablement une prépondérance de granitiques par rapport aux roches basaltiques et une relative abondance de roches sédimentaires riches en quartz dans la composition originale du Bouclier canadien. La validité générale de ces chiffres d'abondance pour les roches métamorphiques a été confirmée par une étude similaire de la composition moyenne des roches métamorphiques dans l'ancienne Union soviétique, qui a donné des résultats étroitement comparables.