Classification géochimique des éléments - Définition

La classification géochimique des éléments est aussi appelée classification Goldschmidt puisqu'elle résulte des travaux menés dans les années 1920 par le chimiste Victor Goldschmidt en vue d'éclaircir les fondements des diverses proportions des éléments chimiques de la Terre, et particulièrement des terres rares dans les différentes phases minéralogiques lors de la cristallogénèse à partir d'un magma.

L'analyse comparée de la composition élémentaire de chaque phase minéralogique, d'une part des météorites, d'autre part des produits de fusion des minerais sulfurés, a conduit Goldschmidt à distinguer quatre classes d'éléments :

• les éléments qu'il appela lithophiles, qui ont une affinité dominante pour l'oxygène et se retrouvent par conséquent avec les aluminates et les silicates — dans l'esprit de Goldschmidt, lithophile signifiait précisément : qui a de l'affinité pour les silicates dans la mesure où λιθος signifie roche (essentiellement des silicates et des aluminates) en grec ancien ;

• ceux qu'il appela chalcophiles, qui ont une affinité dominante pour le soufre — dans l'esprit de Goldschmidt, chalcophile signifiait « qui a de l'affinité pour le soufre », bien qu'en fait χαλκος signifie cuivre en grec ancien ;

• ceux qu'il appela sidérophiles, qui ont une affinité dominante pour le fer — c'est le sens exact du grec ancien σιδηροφιλος ;

• et enfin, ceux qu'il appela atmophiles, qui ont une affinité dominante pour les phases fluides — ἀτμος signifie vapeur en grec ancien.

Cette classification n'est pas normalisée, et des études différentes peuvent répartir différemment les éléments. En effet, il est fréquent qu'un élément situé aux confins de deux familles présente, selon les circonstances, un comportement le rattachant tantôt à l'une tantôt à l'autre, ainsi :

• le carbone est généralement considéré comme atmophile car ses formes solides (charbon, carbonates) sont issues du dioxyde de carbone atmosphérique, mais il est sidérophile en l'absence d'oxygène.
• le phosphore est généralement vu comme lithophile, mais est également sidérophile en l'absence d'oxygène.
• le germanium et l'étain, essentiellement chalcophiles, ont également des aspects sidérophiles, voire lithophiles.
• le fer est paradoxalement de nature à la fois chalcophile et lithophile en même temps que sidérophile, ce qui explique son abondance dans l'écorce terrestre.

L'état d'oxydation peut faire varier la situation d'un élément, à l'exemple du chrome : Cr³⁺ est chalcophile, mais Cr⁶⁺ est lithophile.

La classification géochimique des éléments est étroitement liée à leur abondance dans l'écorce terrestre comparée à leur abondance dans le système solaire :

• L'écorce terrestre est enrichie en éléments lithophiles par rapport au système solaire, car ils forment des oxydes solides peu denses qui se sont concentrés dans les couches superficielles de la Terre lors de la phase d'accrétion initiale
• Elle est en revanche fortement appauvrie en éléments sidérophiles et atmophiles, les premiers ayant une densité élevée qui les a entraînés jusqu'au noyau avec le fer, et les seconds étant trop volatiles pour être intégrés dans la masse terrestre lors de l'accrétion initiale
• Elle est enfin relativement appauvrie en éléments chalcophiles, plus denses que les oxydes formés par les lithophiles.

Le tableau ci-dessous permet de comparer l'abondance relative des éléments dans le système solaire et dans l'écorce terrestre :

Abondance relative comparée des éléments
exprimée en log₁₀ normalisée sur le silicium

Z	Élément chimique		Nature géochimique	Système solaire	Écorce terrestre
1	H	Hydrogène	Atmophile	10,7	5,2
2	He	Hélium	Atmophile	9,6	0,0
3	Li	Lithium	Lithophile	1,2	2,5
4	Be	Béryllium	Lithophile	-0,1	1,5
5	B	Bore	Lithophile	0,8	2,0
6	C	Carbone	Atmophile Sidérophile	7,2	3,2
7	N	Azote	Atmophile	6,7	2,2
8	O	Oxygène	Lithophile	7,4	6,5
9	F	Fluor	Lithophile	3,4	3,5
10	Ne	Néon	Atmophile	6,6	0,0
11	Na	Sodium	Lithophile	4,5	5,1
12	Mg	Magnésium	Lithophile	6,0	4,9
13	Al	Aluminium	Lithophile	4,9	5,5
14	Si	Silicium	Lithophile	6,00	6,00
15	P	Phosphore	Lithophile Sidérophile	3,9	3,5
16	S	Soufre	Chalcophile	5,9	2,9
17	Cl	Chlore	Lithophile	3,3	2,6
18	Ar	Argon	Atmophile	5,5	0,0
19	K	Potassium	Lithophile	3,3	4,8
20	Ca	Calcium	Lithophile	4,9	5,0
21	Sc	Scandium	Lithophile	1,5	1,7
22	Ti	Titane	Lithophile	3,4	4,0
23	V	Vanadium	Lithophile	2,8	2,4
24	Cr	Chrome	Lithophile Sidérophile	4,1	2,3
25	Mn	Manganèse	Sidérophile Lithophile	3,8	3,2
26	Fe	Fer	Sidérophile Lithophile Chalcophile	5,4	5,0
27	Co	Cobalt	Sidérophile	3,3	1,6
28	Ni	Nickel	Sidérophile	4,7	2,1
29	Cu	Cuivre	Chalcophile	2,6	1,9
30	Zn	Zinc	Chalcophile	2,8	2,0
31	Ga	Gallium	Chalcophile	1,5	1,3
32	Ge	Germanium	Chalcophile Sidérophile	1,9	0,3
33	As	Arsenic	Chalcophile	0,6	0,4
34	Se	Sélénium	Chalcophile	1,4	-1,1
35	Br	Brome	Lithophile	0,7	0,5
36	Kr	Krypton	Atmophile	1,4	0,0
37	Rb	Rubidium	Lithophile	0,6	2,0
38	Sr	Strontium	Lithophile	1,4	2,6
39	Y	Yttrium	Lithophile	0,7	1,6
40	Zr	Zirconium	Lithophile	1,4	2,3
41	Nb	Niobium	Lithophile	-0,05	1,3
42	Mo	Molybdène	Sidérophile Lithophile	0,2	0,2
44	Ru	Ruthénium	Sidérophile	0,2	-2,0
45	Rh	Rhodium	Sidérophile	-0,5	-2,3
46	Pd	Palladium	Sidérophile	0,1	-2,0
47	Ag	Argent	Chalcophile	-0,5	-0,7
48	Cd	Cadmium	Chalcophile	0,1	-0,7
49	In	Indium	Chalcophile	-1,0	-1,1
50	Sn	Étain	Chalcophile Sidérophile	0,23	0,23
51	Sb	Antimoine	Chalcophile	-0,7	-0,8
52	Te	Tellure	Chalcophile	0,49	-2,1
53	I	Iode	Lithophile	-0,4	-0,4
54	Xe	Xénon	Atmophile	0,5	0,0
55	Cs	Césium	Lithophile	-0,7	0,4
56	Ba	Baryum	Lithophile	0,7	3,5
57	La	Lanthane	Lithophile	-0,3	1,3
58	Ce	Cérium	Lithophile	0,1	1,6
59	Pr	Praséodyme	Lithophile	-0,7	-0,2
60	Nd	Néodyme	Lithophile	-0,1	0,3
62	Sm	Samarium	Lithophile	-0,6	0,6
63	Eu	Europium	Lithophile	-1,0	-0,1
64	Gd	Gadolinium	Lithophile	-0,4	0,5
65	Tb	Terbium	Lithophile	-1,2	-0,2
66	Dy	Dysprosium	Lithophile	-0,4	0,3
67	Ho	Holmium	Lithophile	-1,0	-0,1
68	Er	Erbium	Lithophile	-0,6	0,2
69	Tm	Thulium	Lithophile	-1,4	-0,5
70	Yb	Ytterbium	Lithophile	-0,7	0,3
71	Lu	Lutécium	Lithophile	-1,4	-0,5
72	Hf	Hafnium	Lithophile	-0,5	0,02
73	Ta	Tantale	Lithophile	-1,7	0,1
74	W	Tungstène	Lithophile	-0,8	-0,1
75	Re	Rhénium	Sidérophile	-1,2	-3,2
76	Os	Osmium	Sidérophile	-0,1	-2,6
77	Ir	Iridium	Sidérophile	0,0	-3,3
78	Pt	Platine	Sidérophile	0,15	-2,3
79	Au	Or	Sidérophile	-0,7	-2,7
80	Hg	Mercure	Chalcophile	-0,2	-1,4
81	Tl	Thallium	Chalcophile	-0,9	-0,6
82	Pb	Plomb	Chalcophile	1,1	0,8
83	Bi	Bismuth	Chalcophile	-0,7	-1,0
90	Th	Thorium	Lithophile	-1,4	0,5
92	U	Uranium	Lithophile	-2,0	-0,1