Olivine

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Olivine
Catégorie IX : silicates[1]
Cristaux d'olivine dans une gangue de basalte échantillonnée au Piton de la Fournaise, à La Réunion

Cristaux d'olivine dans une gangue de basalte échantillonnée au Piton de la Fournaise, à La Réunion
Général
Classe de Strunz 09.AC.05
Formule brute FeMg1.6O4Si(Mg,Fe)2[SiO4]
Identification
Masse formulaire[2] 153,309 ± 0,003 uma
Fe 14,57 %, Mg 25,37 %, O 41,74 %, Si 18,32 %,
Couleur vert jaune à sombre
Classe cristalline et groupe d'espace orthorhombique-dipyramidale ; Pnma
Système cristallin orthorhombique
Clivage {001} bon et {010} imparfait
Cassure conchoïdale
Habitus grains arrondis,
rarement en cristaux
Échelle de Mohs 6,5 - 7
Trait blanc
Éclat vitreux
Propriétés optiques
Indice de réfraction α=1,630-1,650 β=1,650-1,670 γ=1,670-1,690
Biréfringence Δ=0,040 ; biaxe positif
Propriétés chimiques
Densité 3,2 - 3,6
Température de fusion forstérite : 1890 °C
fayalite : 1208 °C
Fusibilité Ne fond pas, les membres de Fe fondent et donnent une boulette magnétique
Solubilité Soluble dans HNO3, les membres de Mg dans les acides chauds
Propriétés physiques
Magnétisme aucun
Radioactivité aucune
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

L’olivine est un minéral du groupe des silicates, sous-groupe des nésosilicates. Elle n'a pas le statut d'espèce reconnue par l'Association internationale de minéralogie, c'est le terme médian dans la série fayalite-forstérite. Elle cristallise dans le système cristallin orthorhombique.

La variété gemme de la forstérite est utilisée comme pierre fine en joaillerie sous le nom de péridot.

Historique de la description et appellations[modifier | modifier le code]

Inventeur et étymologie[modifier | modifier le code]

Décrite par le minéralogiste allemand Abraham Gottlob Werner en 1790, le nom dérive de sa couleur vert olive.

Caractéristiques physico-chimiques[modifier | modifier le code]

Critères de détermination[modifier | modifier le code]

Cristallochimie[modifier | modifier le code]

La formule générale des olivines est XYTO4, où :

  • T = cation tétraédrique (Si) ;
  • Y = cation bivalent dans les sites octaédriques M2 ;
  • X = cation bivalent dans les sites octaédriques M1.

La composition des olivines naturelles est comprise dans un tétraèdre ayant pour sommets les phases :

  • forstérite (Fo) : Mg2SiO4 ;
  • fayalite (Fa) : Fe2SiO4 ;
  • téphroïte : Mn2SiO4 ;
  • calcio-olivine : Ca2SiO4.

Le membre calcique est un constituant important du ciment portland et des scories métallurgiques. Il entre aussi dans la composition des fertilisants agricoles. Il donne plusieurs polymorphes et dans la nature il se présente rarement avec la structure olivine, bien que celle-ci soit la phase de basse température.

Dans le tétraèdre de composition on observe deux lacunes de miscibilité, qui correspondent aux phases :

  • CaMgSiO4 monticellite ;
  • CaFeSiO4 kirchsteinite.

Par analogie, on donne aussi un nom particulier aux deux composants intermédiaires même s’ils ne sont pas des phases intermédiaires :

  • MnMgSiO4 picrotephroïte ;
  • MnFeSiO4 knebelite.

Le long de l’axe Fo - Fa, on trouve les olivines les plus importantes, qui sont classées de la manière suivante :

  • Fo100-Fo90 : forstérite ;
  • Fo90-Fo70 : chrysolite ;
  • Fo70-Fo50 : hyalosidérite ;
  • Fo50-Fo30 : hortonolite ;
  • Fo30-Fo10 : ferrohortonolite ;
  • Fo10-Fo0 : fayalite.

Des olivines contenant d'importantes quantités de zinc et des teneurs mineures en nickel et chrome sont aussi connues.

Cristallographie[modifier | modifier le code]

Possède un fort relief à l'observation au microscope polarisant, ainsi qu'une forte biréfringence, teintes vives du 2e au 3e ordre au microscope polarisant en lumière analysée.

Structure cristalline de l'olivine Mg2SiO4 projetée sur le plan (a, b). Vert: Mg, jaune: Si, bleu: O. Le parallélépipède noir représente la maille conventionnelle.

L'olivine Mg2SiO4 cristallise dans le groupe d'espace Pnma, avec les paramètres de maille a = 10,091 Å, b = 5,961 Å et c = 4,730 Å (Z = 4 unités formulaires par maille)[3]. Le volume de la maille conventionnelle est 284,52 Å3, la densité calculée 3,285 g/cm3.

L'olivine est un nésosilicate : les tétraèdres SiO4 sont isolés les uns des autres par les ions Mg2+ dans la structure. Il y a deux sites non-équivalents pour les ions Mg2+, Mg1 et Mg2 (en vert clair et vert foncé respectivement sur la figure), qui sont en coordination octaédrique d'oxygène. Les octaèdres MgO6 sont reliés entre eux par leurs arêtes et forment des chaînes parallèles à la direction b. Les longueurs de liaison moyennes sont Mg-O = 2,099 Å et Si-O = 1,630 Å.

Polymorphisme

Mg2SiO4 se présente avec la structure olivine dans la croûte terrestre et jusqu’à la partie supérieure de la zone de transition du manteau. Au milieu de la zone de transition, aux alentours de 400 km de profondeur, l’olivine se transforme en wadsleyite ou β-Mg2SiO4 à structure spinelle modifiée, contenant des groupes Si2O7. À des profondeurs plus importantes, à la base de la zone de transition du manteau, c’est la ringwoodite ou γ-Mg2SiO4, à structure spinelle, qui devient stable.

Dans la série Fo-Fa on n’observe pas de polymorphisme et même des membres moins communs (ex. nickélifères) ont une structure olivine.

Le paradoxe de l'olivine et de la tectonique des plaques[modifier | modifier le code]

L'étude des déformations de l'olivine à 850-1100°C a mis en évidence de nouvelle loi de fluage (Demouchy et al., 2013 PEPI) qui prédit pour ce minéral une résistance du manteau lithosphérique moindre (<500 MPa) que ce qui avait été déduit d'expériences antérieures conduites à 1200-1300°C (>2 GPa)[4]. Un paradoxe majeur de la rhéologie et tectonique de plaques pourrait ainsi être résolu (« les forces produites par la convection mantellique étaient jusqu’à maintenant insuffisantes pour déformer une lithosphère non pré-affaiblie »[4].

L'olivine en cristaux ou agrégats présente une forte anisotropie mécanique mais aussi des anomalies de fluage. En lien avec les universités de Montpellier et de Metz, le laboratoire UMET de l'Université de Lille I a récemment mis au jour un nouveau mécanisme explicatif de l'écoulement des roches dans le manteau terrestre s'appuyant sur la prise en compte de « défauts cristallins, jusqu’ici ignorés » (dislocations[5],[6] ou désinclinaisons). Ce modèle permet d'enfin comprendre le « paradoxe de la déformation de l’olivine » » ainsi que « la dynamique de l’intérieur de notre planète, de l’échelle atomique à celle des vastes mouvements de convection qui brassent le manteau »[7].


Gîtes et gisements[modifier | modifier le code]

Sections souvent automorphes dans les roches volcaniques, plutôt xénomorphes dans les roches grenues.

Gîtologie et minéraux associés[modifier | modifier le code]

Dans la croûte terrestre, les membres riches en Mg sont des constituants importants des roches ignées mafiques et ultramafiques ; ils se trouvent également dans les calcaires dolomitiques métamorphisés thermiquement. Les membres riches en Fe sont des phases mineures des roches ignées alcalines et des sédiments ferrifères métamorphisés. À teneurs élevées en magnésium la forstérite coexiste avec le périclase (MgO). En revanche, à teneurs élevées en SiO2 la forstérite se transforme en enstatite.

L'olivine est le minéral dominant des péridotites, roches constituant le manteau. Une dunite est une roche contenant au moins 90 % d'olivine.

L'olivine est le premier minéral à cristalliser lorsqu'un magma refroidit. C'est pourquoi il est souvent présent dans les basaltes. Il peut cristalliser à une température d'environ 1 000 °C. C'est le premier minéral de la suite réactionnelle :

Olivine (Mg) → Olivine (Fe,Mg) → Pyroxène (Mg) → Pyroxène (Fe,Mg) → Amphiboles → Biotite (des hautes températures vers les basses températures).

La forstérite n'est jamais associée avec du quartz ; en fait, la présence simultanée de forstérite et de quartz conduirait à la formation spontanée de pyroxène.

Des olivines plus riches en fer peuvent coexister avec du quartz dans certains granites et syénites quartzifères, où elles sont associées avec des autres silicates ferrifères, comme le pyroxène hédenbergite CaFeSi2O6, le pyroxène ægyrine NaFeSi2O6 et l’amphibole arfvedsonite Na3(Fe2+4Fe3+)Si8O22(OH)2.

Les olivines métamorphiques sont moins communes, mais sont quand même des minéraux importants dans certains marbres impurs et dans les roches ultramafiques métamorphosées.

Serpentinisation et autres métamorphismes[modifier | modifier le code]

Les olivines répondent parfaitement à la loi de Goldich : « les minéraux sont d’autant plus vulnérables que leurs conditions de genèse diffèrent plus de celles qui règnent à la surface ». Étant formées à haute température et en absence d’eau, les olivines sont très sensibles aux agents atmosphériques, à l’altération hydrothermale, au métamorphisme de bas degré impliquant l’hydratation, l’oxydation, la silicification ou la carbonatation. Elles s’altèrent en serpentine, chlorite, amphibole, oxydes de fer (transformation dite "rubéfaction"), talc.

Ex: Serpentinisation en présence de dioxyde de carbone si la proportion de fer sur le silicium , x, est supérieur à 0.5.


12/x Mg2-xFexSiO4 + 2+(8(2-x)/x) H2O + CO2 → 4(2-x)/x Mg3Si2O5(OH)4 + (8x-4)xSiO2 + 4 Fe3O4 + CH4.

Gisements producteurs de spécimens remarquables[modifier | modifier le code]

Utilisations[modifier | modifier le code]

L'olivine est utilisée comme additif dans la sidérurgie, où elle entre dans la préparation de l'aggloméré. Elle apporte de la magnésie au minerai de fer enfourné au haut fourneau, afin de servir de fondant[8] et de contrôler les caractéristiques du laitier. La consommation d'olivine dépend essentiellement du procédé par haut fourneau :

« Pour le sidérurgiste, l'olivine est synonyme de dunite à forte teneur en MgO[…] L'activité minière repose sur un seul gros consommateur, la sidérurgie[…] Elle permet d'apporter la magnésie et d'augmenter la basicité du laitier tout en lui conservant des caractéristiques de fusibilité et de viscosité convenables. La magnésie est indispensable aux hauts fourneaux pour assurer un meilleur coefficient de partage du soufre entre la fonte et le laitier[…]
Dans la préparation des boulettes, ce silicate naturel de fer et de magnésium de formule: (Mg,Fe)2 SiO4, est ajouté (entre 3 et 6%) pour réduire leur gonflement ; cependant, il diminue leur résistance et augmente la consommation thermique. L'olivine remplace en tout ou partie la dolomie[…][9]. »

— Jacques Corbion, Le savoir… fer — Glossaire du haut-fourneau

La magnésie présente dans l'olivine évite aussi au laitier de haut fourneau cristallisé de se déliter lorsqu'il absorbe de l'humidité.

On emploie aussi épisodiquement ce minéral en fonderie car « à cause de son faible coefficient de dilatation, l’olivine a quelques applications dans la fabrication des noyaux[9] ».

Galerie[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  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. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. ICSD No. 83 793 ; (en) Michael Haiber, Pietro Ballone et Michele Parrinello, « Structure and dynamics of protonated Mg2SiO4: An ab-initio molecular dynamics study », American Mineralogist, vol. 82, no 9-10,‎ 1997, p. 913-922 (lire en ligne)
  4. a et b Géosciences Modélisation numérique de la déformation de la lithosphère continentale : Analyse de l’effet de nouvelles lois expérimentales pour la déformation de roches mantelliques dans des conditions lithosphériques
  5. K. Gouriet, P. Carrez & P. Cordier (2014) Modelling [100] and [010] screw dislocations in MgSiO3 perovskite based on the Peierls-Nabarro-Galerkin model ; Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering Feb 7, 2014 ; 025020 (17pp) doi:10.1088/0965-0393/22/2/025020. (résumé)
  6. Cisailler la structure de la perovskite MgSiO3 , 2013-06-27, consulté 2014-03-02
  7. Cordier P, Demouchy S, Beausir B, Taupin V, Barou F & Fressengeas C (2014) Disclinations provide the missing mechanism for deforming olivine-rich rocks in the mantle - Publié en ligne dans Nature le 27 février 2014, DOI:10.1038/nature13043 (résumé)
  8. (en) « Primary Slag and Final Slag », steeluniversity.org
  9. a et b Jacques Corbion (préf. Yvon Lamy), Le savoir… fer — Glossaire du haut-fourneau : Le langage… (savoureux, parfois) des hommes du fer et de la zone fonte, du mineur au… cokier d'hier et d'aujourd'hui, 5,‎ 2003 [détail des éditions] (lire en ligne), p. 3250

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