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Tacharanite

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Tacharite
Catégorie IX : silicates[1]
Image illustrative de l’article Tacharanite
Général
Symbole IMA Tch
Classe de Strunz
9.HA75.
Classe de Dana
72.3.2.6
Formule chimique Ca12Al2Si18O33(OH)36
Identification
Couleur blanc
Système cristallin monoclinique
Classe cristalline et groupe d'espace pseudocellule monoclinique centrée sur A.
Clivage parfait {001}
Cassure conchoïdale. Fractures développées dans des matériaux fragiles caractérisés par des surfaces légèrement incurvées (comme le quartz)
Habitus cryptocristallin - se présente sous forme de cristaux trop petits pour être distingués à l'œil nu.
Échelle de Mohs 5
Trait translucide
Éclat vitreux, terne
Propriétés optiques
Indice de réfraction nα = 1,518 - 1,525, nγ = 1,530 - 1,537
Biréfringence δ = 0,012 - biaxale (-)
Dispersion optique relativement forte
Propriétés chimiques
Densité 2,33–2,36 g/cm3 (mesurée), 2,28 g/cm3 (calculée)
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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La tacharanite est un minéral de silicate d'aluminium et de calcium hydraté (C-A-S-H) de formule chimique générale Ca12Al2Si18O33(OH)36 ressemblant à la tobermorite, minéral de silicate de calcium hydraté (C-S-H). On la trouve souvent en assemblage minéral avec des zéolites et avec d'autres silicates de calcium hydratés[2].

Les phases minérales C-S-H et C-A-S-H sont des produits d'hydratation importants des ciments mais peuvent également être découvertes, certes moins fréquemment, dans certains environnements géologiques naturels. Les spécimens dans la nature sont rares et de petite taille (souvent disponibles en quantité limitée) mais souvent bien cristallisés tandis que les phases cimentaires hydratées sont désordonnées et cryptocristallines ou amorphes avec une stœchiométrie mal définie, dénotée par l'utilisation de tirets dans les abréviations C-S-H et C-A-S-H.

Étymologie

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La tachanarite a été nommée par Sweet et al. (1961) à partir du mot gaélique « tacharan »[3], un changeling, « un objet ou une chose laissé à la place d'une chose volée » faisant allusion à l'instabilité initialement présumée de ce minéral car après le premier examen photographique aux rayons X, on pensait être instable lorsqu'il est exposé à l'air et susceptible de se décomposer en tobermorite et gyrolite[4]. Le nom tachanarite a été inspiré à la fois par la nature du comportement minéral supposé et par la richesse du folklore associé à l'île de Skye où elle a été trouvée[4].

Stabilité de la structure cristalline

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Selon Sweet et al. (1961)[4] et Cliff 'et al.' (1975)[5], la tacharanite présente des ressemblances étroites avec la tobermorite, un minéral silicate de calcium hydraté (C-S-H), mais en diffère également de manière significative en raison de la présence d'aluminium dans son réseau cristallin, ce qui en fait un membre de la famille des silicates d'aluminium et de calcium hydratés (C-A-S-H) famille. La tacharanite a une structure cristalline monoclinique.

Cliff 'et al.' (1975)[5] ont également étudié la stabilité de la tacharanite dans l'air mais n'ont pu mettre en évidence aucune altération. Les résultats de leur étude contredisent donc ceux de 1961, décrivant la transformation de la tacharanite en un mélange de tobermorite et de gyrolite qui fut la principale source d'inspiration pour le nom du minéral.

L'explication possible de cet écart pourrait résider dans la nature impure et la quantité assez limitée des échantillons minéraux que l'équipe de Sweet ont étudié : ils n'ont travaillé que sur 29 mg d'un mélange complexe de plusieurs minéraux très difficiles à séparer (dont tacharanite, tobermorite et gyrolite...) et nichés dans les vésicules d'une intrusion de roche olivine-diabase.

En 2007, une équipe de minéralogistes de l'Académie russe des sciences de Moscou (Organova 'et al.', 2007) a réévalué en profondeur la structure cristalline du minéral avec un plus grand nombre d'échantillons[6]. Ils ont dérivé un modèle de la structure de la tacharanite à partir de la structure de la tobermorite et ont également établi une relation éventuelle avec une structure de type zéolite. Sur cette base, ils ont proposé un mécanisme hypothétique de formation prenant en compte la présence globale et étroite de zéolite dans les systèmes où se trouve la tacharanite.

Composition chimique de l'hydrate

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La composition chimique générale de la tacharanite est officiellement écrite comme suit :  Ca12Al2Si18O33(OH)36[5], ce qui équivaut à Ca12Al2Si18O33O69H36 sans expliciter les groupes OH.

Cependant, la composition de la tacharanite est parfois rapportée comme Ca12Al2Si18O51·18H2O, ou comme Ca12Al2[Si6O17]3·18H2O[7], notations équivalentes plus explicites pour la structure silicatée.

Enfin, une formule énigmatique moins hydratée : Ca12Al2Si18O15(OH)2·3H2O est présente dans le rapport de synthèse sur l'analogue naturel de Maqarin en Jordanie[8].

La teneur en calcium, aluminium et silicium maintient les ratios relatifs : Ca12Al2Si18. Cependant, le nombre d'atomes d'oxygène ou de groupes d'hydroxydes (OH) peut varier en fonction de la source documentaire et n'est donc pas fixé, légitimant peut-être la signification de la racine tacharan dans le nom du minéral. Cet aspect doit être arrêté et validé avant d’effectuer des calculs de modélisation géochimique.

Occurrences naturelles

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Tacharanite sphérique de couleur crème sur naphilipsite blanche (une série minérale du groupe des zéolites) de Palagonia, en Sicile, Italie (largeur de vue : 1 cm).

La tacharanite a été identifiée pour la première fois par Sweet et al. (1961) dans des vésicules d'olivine-dolérite (ou diabase) — roche ignée intrusive à grains fins injectée dans une veine de la roche mère — sur un petit affleurement à Portree dans l'île de Skye, Hébrides intérieures, dans les hautes terres d'Écosse, au Royaume-Uni[9]. La tacharanite y est associée à d'autres silicates de calcium hydratés comme la tobermorite, la gyrolite et la xonotlite ; et à des zéolithes comme les aluminosilicates : laumontite, mésolite, thomsonite et analcime également trouvés dans les localités voisines[4]. Sweet et al. (1961) présumait qu'il s'agissait d'un nouveau membre du groupe de la tobermorite[4].

En 1961, la tacharanite a également été découverte sur l'île de Tasmanie en Australie par Sutherland de façon presque synchronique avec Sweet qui a publié ses résultats trop tard[10].

L'occurrence naturelle de tacharanite a également été prise en compte dans les études de caractérisation et de modélisation géochimique des sites naturels analogues de Khusaym Matruk et Maqarin (centre et le nord de la Jordanie), où des panaches alcalins naturels ont pénétré la formation rocheuse par la diffusion de fluides très basiques au pH élevé[8].

La tacharanite est également présente dans les dykes clastiques du bassin d'Hatrurim (rive ouest de la mer Morte) étudiés comme analogues naturels du béton alcalin[11].

Des études d'analogues naturels inspirées des premières publications sur les silicates de calcium naturels hydratés, étroitement liés à la chimie du ciment[12], sont réalisées pour mieux comprendre le comportement d'une perturbation alcaline se formant près des galeries de stockage de déchets radioactifs cimentaires. On connait une cinquantaine de gisements dans le monde.

Produits d'hydratation du ciment

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Les phases C-S-H (le « ciment colle ») et C-A-S-H sont des phases essentielles de la pâte de ciment durcie (HCP) contribuant au développement de la résistance du béton. Ils sont formés par l'hydratation du clinker de ciment et du laitier en granulés de haut fourneau broyés (GGBFS). Harry FW Taylor, éminent chimiste du ciment à l'Université d'Aberdeen (Écosse, Royaume-Uni), fut un pionnier et un artisan infatigable dans leur caractérisation détaillée[13],[14],[15],[12]. Ceci explique l'intérêt de Taylor, Cliff et de leurs collègues[5] pour réévaluer en 1975 la structure cristalline et la stabilité de la tachanarite, plus d'une décennie après les deux découvertes parallèles en 1961 du minéral par Sweet et al.[4] à Portree (île de Skye, Écosse) et par Sutherland[10] en Tasmanie.

Interactions ciment-argile

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La tacharanite a suscité un intérêt particulier dans la recherche portant sur les analogues naturels, visant à explorer les éventuels impacts d'un panache alcalin se formant autour d'un site de stockage de déchets hautement radioactifs[16].

Dans le cadre du stockage géologique des déchets hautement radioactifs et du combustible nucléaire épuisé, de grandes quantités de béton seront utilisées à proximité d'un dépôt géologique en profondeur. Les matériaux cimentaires seront utilisés comme matrice pour immobiliser les déchets, comme matériaux tampons, comme matériau de remblai, et également pour couvrir les galeries à sous la forme de béton projeté et de blocs de béton. Le pH élevé qui règne dans l'eau interstitielle du béton est bénéfique pour l'immobilisation des radionucléides (faible solubilité, forte sorption et limitation de l'activité microbienne). Depuis le milieu des années 1980, de nombreuses études ont été initiées à la suite des travaux pionniers d'Atkinson et al. (1985, 1988, 1990) pour le compte de l'Autorité britannique de l'énergie atomique afin d'évaluer la dépendance temporelle du pH dans un dépôt de déchets radioactifs[16],[17],[18]. De manière simultanée, il se pose également la problématique de la perturbation géochimique induite par la propagation d'un panache alcalin au sein d'un environnement argileux. En effet, l'intégrité de la zone adjacente au site de stockage pourrait être menacée du fait que d'importantes quantités de béton entreront en contact direct avec la roche hôte, qu'il s'agisse d'une formation sédimentaire argileuse ou granitique. L'eau interstitielle de la pâte de ciment durcie (HCP) du béton est hyperalcaline (pH élevé). Lorsque le ciment Portland est utilisé, l'eau de ciment jeune (YCW) riche en potasse (KOH) et en soude (NaOH) a initialement un pH très élevé aux alentours de 13,5. Lors des étapes de dégradation du ciment suivantes, l'eau de ciment dégagée (ECW) n'affiche plus qu'un pH de 12,5 contrôlé par la dissolution de la portlandite (Ca(OH)2). Les anions hydroxyde (OH-) libérés par le béton au contact des eaux interstitielles argileuses, ou des eaux souterraines granitiques, se diffusent lentement dans la formation géologique hôte où ils interagissent avec les différentes phases minérales de la roche environnante. À l'intérieur d'une galerie remblayée et dans les scellements de galeries et de puits, ce processus aura un impact similaire sur les minéraux argileux présents dans le matériau tampon en bentonite. Les interactions eau-roche conduisent à des réactions complexes de solvatation et de précipitation à l’interface entre les matériaux ciment et argile. Les principaux produits de réaction d'un panache alcalin dans l'argile sont des silicates de calcium hydratés (CSH) et des zéolites contribuant potentiellement à colmater la porosité de l'interface ciment-argile.

Comme la tacharanite fait partie de la famille des silicates hydratés de calcium et d'aluminium (C-A-S-H), elle a également été identifiée comme un potentiel nouveau minéral dans le contexte des interactions entre le ciment et l'argile, et prise en compte dans les études de modélisation géochimique[19],[20].

Articles connexes

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  • Gyrolite – Minéral phyllosilicate rare cristallisant dans des sphérules
  • Tobermorite – Minéral d'altération inosilicate dans le calcaire métamorphisé et dans le skarn
  • Xonotlite – Minéral inosilicate

Notes et références

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  1. ↑ La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.
  2. ↑ (en) « Tacharanite Mineral Data », sur www.webmineral.com (consulté le )
  3. ↑ (en) « Tacharanite », sur Mindat.org (consulté le )
  4. ↑ a b c d e et f (en) Jessie M. Sweet, D. I. Bothwell et D. L. Williams, « Tacharanite and other hydrated calcium silicates from Portree, Isle of Skye », Mineralogical Magazine and Journal of the Mineralogical Society, vol. 32, no 253,‎ , p. 745–753 (ISSN 0369-0148, DOI 10.1180/minmag.1961.032.253.01, Bibcode 1961MinM...32..745S)
  5. ↑ a b c et d (en) G. Cliff, J. A. Gard, G. W. Lorimer et H. F. W. Taylor, « Tacharanite », Mineralogical Magazine, vol. 40, no 310,‎ , p. 113–126 (ISSN 0026-461X, e-ISSN 1471-8022, DOI 10.1180/minmag.1975.040.310.01, Bibcode 1975ClMin..40..113C, S2CID 251027830)
  6. ↑ (en) N. I. Organova, A. E. Zadov, N. V. Chukanov et V. T. Dubinchuk, « Structural model of the rare mineral tacharanite and a possible process of its formation », Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, vol. 71, no 5,‎ , p. 635–637 (ISSN 1062-8738, e-ISSN 1934-9432, DOI 10.3103/S1062873807050115, Bibcode 2007BRASP..71..635O, S2CID 120673718)
  7. ↑ (de) Stefan Weiß, Das große lapis mineralienverzeichnis. Alle mineralien von A – Z und ihre eigenschaften, München, Germany, Weise, (ISBN 978-3-921656-70-9)
  8. ↑ a et b (en) A.F. Pitty et W.R. Alexander, « A natural analogue study of cement buffered, hyperalkaline groundwaters and their interaction with a repository host rock IV: an examination of the Khushaym Matruk (central Jordan) and Maqarin (northern Jordan) sites », dans Bedrock Geosciences Technical Report 11-02 (BG-TR-11-02) (An international project jointly funded by NDA-RWMD, ANDRA, CEA, JAEA, Nagra and SKB)
  9. ↑ (en) « Tacharanite », dans J. W. Anthony, R. Bideaux, K. Bladh et al., Handbook of mineralogy, (lire en ligne [PDF]) (consulté le )
  10. ↑ a et b (en) F. L. Sutherland, « Tacharanite from Tasmania, Australia », Mineralogical Magazine, vol. 40, no 316,‎ , p. 887–890 (ISSN 0026-461X, e-ISSN 1471-8022, DOI 10.1180/minmag.1976.040.316.10)
  11. ↑ (en) E. V. Sokol, Gaskova, O. A. Kozmenko et S. N. Kokh, « Clastic dikes of the Hatrurim basin (western flank of the Dead Sea) as natural analogues of alkaline concretes: Mineralogy, solution chemistry, and durability », Doklady Earth Sciences, vol. 459, no 1,‎ , p. 1436–1441 (ISSN 1028-334X, e-ISSN 1531-8354, DOI 10.1134/S1028334X14100122, lire en ligne)
  12. ↑ a et b (en) Harry F. W. Taylor, Cement Chemistry, Thomas Telford, (ISBN 978-0-7277-2592-9, lire en ligne)
  13. ↑ (en) Harry F. W. Taylor, « The chemistry of cement hydration », Progress in Ceramic Science, vol. 1,‎ , p. 89–145
  14. ↑ (en) Harry F. W. Taylor, « Aspects of the crystal structures of calcium silicates and aluminates », Journal of Applied Chemistry, vol. 10, no 8,‎ , p. 317–323 (ISSN 0021-8871, e-ISSN 1934-998X, DOI 10.1002/jctb.5010100802)
  15. ↑ (en) Harry F. W. Taylor, « Proposed structure for calcium silicate hydrate gel », Journal of the American Ceramic Society, vol. 69, no 6,‎ , p. 464–467 (ISSN 0002-7820, e-ISSN 1551-2916, DOI 10.1111/j.1151-2916.1986.tb07446.x)
  16. ↑ a et b (en) Elias Mechael Salameh, Smelli, Clark et Antoni Edward Milodowski, Bed rock Geosciences, Auenstein, Switzerland, NDA-RWMD, ANDRA, CEA, JAEA, NAGRA and SKB : A natural analogue study of cement buffered hyperalkaline groundwaters and their interaction with the repository host rock IV: an examination of Khushaym Matruk (central Jordan) and Maqarin (northern Jordan) sites, (lire en ligne), « Chapter III Hydrogeochemistry », p. 57-98
  17. ↑ (en) Alan Atkinson, Nicoia M. Everitt et Richard M. Guppy, « Time dependence of pH in a cementitious repository », MRS Proceedings, vol. 127,‎ (ISSN 0272-9172, e-ISSN 1946-4274, DOI 10.1557/PROC-127-439)
  18. ↑ (en) A. Atkinson, J. A. Hearne et C. F. Knights, « Thermodynamic modelling and aqueous chemistry in the CaO-Al2O3-SiO2-H2O system », MRS Proceedings, vol. 212,‎ (ISSN 0272-9172, e-ISSN 1946-4274, DOI 10.1557/PROC-212-395)
  19. ↑ (en) Eric C. Gaucher et Philippe Blanc, « Cement/clay interactions – A review: Experiments, natural analogues, and modeling », Waste Management, vol. 26, no 7,‎ , p. 776–788 (ISSN 0956-053X, PMID 16574392, DOI 10.1016/j.wasman.2006.01.027, lire en ligne)
  20. ↑ (en) David Savage, Colin Walker, Randy Arthur et Chris Rochelle, « Alteration of bentonite by hyperalkaline fluids: A review of the role of secondary minerals », Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, vol. 32, nos 1–7,‎ , p. 287–297 (ISSN 1474-7065, DOI 10.1016/j.pce.2005.08.048, Bibcode 2007PCE....32..287S)

Lectures complémentaires

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Liens externes

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  • (en) Mindat, « Tacharanite », mindat.org (consulté le )
  • (en) Webmineral, « Tacharanite Mineral Data », webmineral.com (consulté le )
  • (en) « Tacharanite », dans J. W. Anthony, R. Bideaux, K. Bladh et al., Handbook of mineralogy, (lire en ligne [PDF]) (consulté le )
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Liste de minéraux, par ordre alphabétique
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