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Sciences de la vie et de la Terre

Trois niveaux d’organisation du monde minéral, l’exemple du Granite.

28 / 09 / 2008 | Marie-Jeanne Pellerin

Comment l’utilisation de différents outils informatiques peut aider les élèves à comprendre ce qu’est une roche, un minéral ?
Ce travail n’est pas un TP élève, mais un outil à usage des enseignants afin de découvrir les liens existants entre les différents logiciels à leur disposition pour parvenir à rendre concrets en les manipulant, les trois niveaux d’organisation du monde minéral : la roche, le minéral, les atomes.

Outils informatiqueNiveaux d’observationNotions construites
Scanner, APN [1], Tcam [2]. De la roche au minéral Les roches sont constituées de minéraux
Mesurim De la roche au minéral On quantifie les minéraux d’une roche
Rastop Du minéral à l’atome Les atomes d’un minéral sont organisés en réseau cristallin
Excel tableur Du minéral à l’atome La composition minérale d’une roche permet d’établir sa composition atomique
Magma De l’atome au minéral puis du minéral à la roche La composition d’un magma détermine la nature des minéraux engendrés lors de son refroidissement.
Les conditions de refroidissement déterminent la nature de la roche magmatique obtenue.

# De la roche au minéral

Observation du granite à l’œil nu et à la loupe binoculaire

## Observer et Identifier les minéraux constitutifs de la roche

- Cette observation peut bien entendu être réalisée à l’œil nu et à la loupe.
Cependant, le scanner, l’appareil photo numérique [3] ou la mini caméra Tcam installée sur la loupe binoculaire permet d’obtenir une(ou plusieurs) image(s) numérique(s) qui va(vont) être exploitée(s) ensuite.

JPEG - 47.7 ko
Granite rose
Photo scannée d’une "tranche" de granite rose polie récupérée chez un marbrier.
La zone encadrée est détaillée ci dessous.

Exemple :

- Quelques conseils pour la numérisation :
Si vous envisagez d’imprimer les photos (un format A4 ou demi A4 soit B5 doit suffire), il faut viser la meilleure qualité d’image possible, afin de restituer les détails sur le papier. Pour un travail uniquement à l’écran la résolution [4] des images est moindre [ 70 à 90 DPI ].

  • Le scanner ( il vous faudra sans doute « explorer » la documentation ou les items de l’interface du logiciel de numérisation du scanner pour échapper à certains réglages par « défaut », les options et expressions utilisées étant très variables ! )
    Régler le scanner pour une résolution de 300 DPI [5], numériser en couleur ( photo )
    Enregistrez le fichier obtenu au format BMP ( ou au format JPG sans compression ! )
  • L’appareil photo : tenez compte des distances minimum de mise au point [6] dans tous les cas positionnez votre APN un peu plus loin que cette limite pour gagner en profondeur de champ [7], avoir une marge autour de votre échantillon et ainsi éliminer les distortions sur les zones périphériques de l’image. N’utilisez pas de zoom numérique. Travaillez en lumière naturelle [8] et avec un pied si possible. Les capteurs des APN récents ( entre 5 et 10 millions de pixels) permettent d’obtenir de très grandes photos dans lesquelles on pourra recadrer une zone représentative de l’échantillon.
    Enregistrez le fichier obtenu au format JPG sans compression ou avec une compression minima ! )
  • Post-Traitement pour le travail à l’écran :
    Cette « photo » est ensuite ouverte dans un logiciel de traitement d’image (Irfan view par exemple dans l’exemple présent) .
    La « photo » initiale peut être recadrée pour choisir une zone convenable
    • Sélectionner une zone a la souris , ou plus facilement utiliser le menu Edition > Créer une sélection personnalisée.
    • Choisir un format et une taille d’image adaptée aux écrans de votre salle d’image. Déplacer la zone de sélection en la glissant (clic droit enfoncé) sur la zone désirée. Terminer cette opération par « appliquer »
    • Puis Edition > Recadrer
    • enfin Enregistrer sous, format JPG avec option de sauvegarde « meilleure qualité » ( à l’écran une compression de 10 % [9] n’est pas perçue).
      PNG - 399.2 ko
      Irfan View
      Utilisation d’une zone de sélection personnalisée

      Effectuez un test surtout si votre numérisation provient d’un APN dont le taux de compression est déjà élevé, pour éviter des effets de compression d’image additifs et « déléteres » qui se traduisent par une pixelisation des images.

Une seconde « vue » plus détaillée peut être réalisée à partir du fichier natif de la numérisation
Penser à la taille d’image acceptée par mesurim.
Cette seconde image peut être légendée. [10]

PNG - 222.5 ko
granite rose : détail
détail de la zone encadrée ci dessus. document légendé

Notions construites : La roche est constituée de grains jointifs imbriqués les uns dans les autres, les minéraux.
Il s’agit essentiellement d’une observation qualitative. L’observation simultanée à la loupe binoculaire et sur une photo numérique à l’écran permet de vérifier l’identification et la bonne restitution de l’aspect des minéraux, ce qui est assez important pour passer à l’étape suivante.

##Quantifier les différents minéraux

On peut traiter cette photo avec Mesurim afin de quantifier les différents minéraux.
Ouvrir l’image dans Mesurim, enfoncer la touche crayon, puis dans le menu, faire choix , couleur du crayon.
Choisir une couleur qui tranche sur le fond coloré. Déterminer la taille du point (pas trop grand afin de ne pas déborder sur les autres pixels.
Aller à image, délimiter des zones et commencer à placer quelques points de couleurs sur chacun des minéraux : ici rose sur le rose de l’orthose, bleu sur le blanc des feldspaths plagioclases, jaune sur le noir des biotites et vert sur le gris du quartz.
Faire OK quand c’est terminé, le logiciel affiche le % des différents pixels, donc la composition approximative du granite.
Vérifier que la répartition des couleurs correspond bien aux différents minéraux sur la photo.

PNG - 404.7 ko
Travail avec mesurim

Résultats pour cet exemple :

selectionminéralquantité (%)
Crayon rose orthose 44
Crayon vert quartz 30,6
Crayon bleu plagioclases 17,5
Crayon jaune biotite 7,88

# Du minéral à l’atome .

## Montrer avec Rastop que Les minéraux sont faits d’atomes

Charger les fichiers correspondants aux 3 minéraux : albite, quartz, biotite.
A l’aide de la souris passer sur les différents atomes afin d’en établir la liste.
Observer que tous ces minéraux sont construits sur le tétraèdre de la silice (Si : atomes de couleur ocre) et que les atomes sont reliés entre eux par des liaisons covalentes.
Notion construite : Les minéraux résultent de l’agencement des atomes en réseau cristallin.

PNG - 185.1 ko
travail avec RASTOP
observation de la structure criststalline…
Ouverture de 3 fichiers albite quartz biotite

On peut coupler ce travail avec l’observation de la formule des trois minéraux proposés, par exemple, le quartz, SiO2. Aller dans molécule puis fichier de la molécule, on constate qu’il y a 72 atomes sur ce modèle dont 49 oxygène et 23 silicium, donc deux fois plus de O que de Si, d’où la formule.
On constate que la biotite contient des OH, que l’on peut relier à l’origine des granites.

## Calculer la composition chimique globale de la roche à l’aide de la fonction tableur d’Excel ou d’Open Office

- Donner aux élèves le tableau tout prêt de la composition en différents oxydes de chacun des minéraux (voir fichier Excel tableau composition granite) (tableau tiré de SVT Belin, édition 2001p.39).
- Compléter en bas du tableau les différents pourcentages obtenus avec Mesurim ramenés à 100% de minéraux total.
exemple ici 39,7+24,5+6,8+27,2= 98,2% donc faire
39,7/98,2X100= 40,4% 24,5/98,2X100 = 25% 6,8/98,2X100 =6,9% 27,2/98,2X100 =27,7%
- Rentrer dans la fenêtre composition du granite donc cellule G5 la formule suivante :
=(SOMMEPROD(C5:F5 ;C$16 :F$16))/100
- Pour les autres lignes utiliser la fonction recopier vers le bas ou retaper tout ligne par ligne en changeant la lettre de la cellule.

PNG - 107 ko
travail avec un tableur
Composition du granite (feuille1) dans Excel

On obtient ainsi la composition atomique exprimée en pourcentage d’oxydes du granite scanné.

-  La feuille 2 du fichier Excel est une feuille prête à être complétée dans les cases « proportion » pour un granite.
-  La feuille 3 est une feuille prête à être complétée dans les cases proportions pour une roche magmatique. Si la roche est un gabbro ne renseigner que les proportions des minéraux présents et noter 0 pour les minéraux absents.

# De l’atome au minéral et du minéral à la roche

Il s’agit de tester la validité des mesures effectuées en modélisant ce granite avec le logiciel Magma

## Première série de mesures.

On rentre dans magma la composition globale calculée de la roche.
Soit dans l’exemple choisi :

Granite rose température SiO2 Al2O3 FeMgO CaO Na2O K2O H2O
Vitesse de refroidissement : 1 850°C 70,80% 15,70% 2,80% 2,20% 2,20% 5,80% 0,10%

Notion construite : On obtient un modèle de roche qui est un granite. En observant la répartition des atomes dans les minéraux dans la représentation en fromage, on comprend comment le granite se forme. Les atomes s’associent entre eux selon des lois physiques que l’on peut modéliser.

PNG - 146.6 ko
Travail avec MAGMA
saisie des données initiales
PNG - 138.2 ko
Travail avec MAGMA
résultat de la Modélisation

Il y a des différences de proportions entre le modèle et le granite initial pour certains minéraux . On constate qu’il y a un peu de pyroxène dans le modèle et que la répartition entre plagioclases et orthose n’est pas celle du granite initial. Cependant le total des feldspaths avec Magma est bien celui évalué avec Mesurim. Notre mode de mesure avec Mesurim n’est pas parfait et est également entaché d’erreurs. Magma fournit un modèle numérique de la roche et comme tous les modèles, il doit être critiqué.

## Seconde série de mesures.

Pour avoir une idée de l’importance de nos erreurs, on peut refaire une deuxième série de mesures sur une autre zone de la photo afin de mieux comprendre les limites de nos modèles.

Observation d’une autre zone du granite

PNG - 323.6 ko
Granite rose
choix d’une autre zone de mesure
PNG - 194 ko
Granite Rose
détail de la seconde zone de mesure

L’image pour Mesurim obtenue avec Irfan View

Le résultat de l‘évaluation des différents minéraux avec Mesurim :

PNG - 377.2 ko
travail avec MESURIM

l’étude quantitaive dans un tableur

PNG - 79.3 ko
Travail avec un tableur
(seconde série de mesures )

composition atomique exprimée en pourcentage d’oxydes calculée à partir des proportions de chaque minéral…

La modélisation avec le logiciel Magma

Les données à saisir sont les suivantes :

Granite rose température SiO2 Al2O3 FeMgO CaO Na2O K2O H2O
Vitesse de refroidissement : 1 850°C 72,40% 15,20% 2,20% 2,30% 2,20% 5,40% 0,10%
PNG - 139.6 ko
MAGMA
Données initiales

On obtient un granite qui contient moins de pyroxène que le précédent exemple, mais la répartition entre orthose et plagioclases n’est pas celle de la roche initiale, le total des feldspaths est celui de la roche initiale.

PNG - 136 ko
MAGMA
modélisation avec 0,1% d’eau

## Pour certains constituants, les mesures doivent être très précises.

Pour certains constituants comme l’eau, la moindre variation par rapport au modèle calculé engendre l’apparition d’un nouveau minéral.
Si on met 0,2% d’eau au lieu de 0,1%, on obtient un nouveau minéral : la muscovite.

PNG - 138.1 ko
MAGMA
modélisation avec 0,2% d’eau
résultats obtenus avec la première série de mesure
(zone encadré en bleu )
PNG - 136.5 ko
MAGMA
modélisation avec 0,2% d’eau
résultats obtenus avec le seconde série de mesure
(zone encadré en jaune)

## La vitesse de refroidissement modifie la nature de la roche.

Si on laisse la roche refroidir rapidement, on obtient les mêmes minéraux, mais une autre roche que le granite, la rhyolite.
En affichant la composition normative et la composition des minéraux formés, on constate certains des atomes engendrant le quartz et les feldspaths sont restés dans le verre.

PNG - 158.1 ko
MAGMA
modification de la vitesse de refroidissement

Notion construite : la nature de la roche obtenue ne dépend pas que de la composition du magma qui l’engendre mais aussi de la vitesse de refroidissement de cette roche.

[1appareil photo numérique

[2mini caméra installée sur la loupe binoculaire

[3avec un objectif en position macro

[4exprimée en nombre de point par pouces, Dot Per Inch, DPI, en anglais

[5Dot Per Inch, Point par Pouce

[6variables du centimètre à plusieurs dizaines de centimètres selon les appareils

[7si votre APN n’est pas disposé parfaitement parallèle au plan de votre échantion cela rattrapera les différences

[8la lumière des lampes à incandescence entraine une coloration pas vraiment , l’éclairage solaire doit être diffus, sans rayons direct pour éviter les reflets et éviter le flash.

[9dans irfanview cela correspond à une qualité de 90%

[10NDLR : ne pas oublier l’échelle !

 

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