Le minéral le plus abondant sur Terre a enfin un nom officiel : la bridgmanite (ex-"MgSiO3-pérovskite")

Olivier Dequincey

ENS de Lyon / DGESCO

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS de Lyon / DGESCO

03/07/2014

Résumé

Minéralogie du manteau terrestre : évolution avec la profondeur des phases silicatées majeures (olivine, wadsleyite, ringwoodite et bridgmanite) et des phases "accessoires" (pyroxène, plagioclase, spinelle, grenat, magnésiowüstite...).


Olivine(s) et bridgmanite, phases silicatées du manteau

La sismologie a mis en évidence une organisation en couches concentriques de la Terre. Les discontinuités sismiques croûte/manteau et manteau/noyau sont imputables à de forts contrastes chimiques induisant des contrastes physiques. La chimie globale du manteau étant relativement homogène, l'origine des discontinuités observées vers 410, 520 et 670 km de profondeur a été recherchée par des expériences en laboratoire dans conditions de hautes pressions afin de suivre l'évolution minéralogique d'une roche de composition péridotitique ou de ses phases minérales majeures dont le comportement a été "testé" lors d'expérience en laboratoire à hautes températures et pressions.

Dans le manteau supérieur, la phase majeure observée dans les péridotites échantillonnées (enclaves, par exemple) est l'olivine, (Mg90%,Fe10%)2SiO4. Des transitions de l'olivine vers des formes plus compactes, observées à des pressions compatibles avec les profondeurs des discontinuités physiques mises en évidence, expliquent les discontinuités de 410 et 520 km de profondeur.

Comme l' International Mineralogical Association ne permet de donner un nom "officiel" qu'aux minéraux observés et décrits à l'état naturel, les phases de hautes pressions de l'olivine (trouvée, elle, à l'état naturel dans les péridotites échantillonnées) n'ont pas reçu de nom lors de leur synthèse/observation en laboratoire. Ainsi, on parla dans un premier temps d'olivine et d'« olivine - structure spinelle » pour la phase de haute pression entre 410 et 670 km de profondeur, appelée ainsi parce que la structure cristalline de ce minéral de synthèse ressemblait beaucoup à celle d'une famille de minéraux naturels et bien connus, les spinelles. Puis sismologie et expériences de hautes pressions distinguèrent plus précisément deux transitions distinctes à hautes pressions). On différencia alors trois phases en les nommant, par ordre de pression croissante, olivine α (alpha), olivine β (bêta) et olivine γ (gamma). Pour observer ces phases minérales, des recherches ont été menées dans des météorites puisque ces corps sont issus de puissants impacts les ayant extraits de leur corps parent dans la ceinture d'astéroïdes, puissants impacts ayant engendré des phases de hautes pressions que l'on retrouve dans le météorites qui sont des éjectas de ces collisions.

Ainsi, si l' olivine (nom issu de sa couleur vert olive) a depuis très longtemps un nom, sa phase β a été observée en 1982 dans la météorite de Peace River (Alberta, Canada) et nommée wadsleyite en l'honneur du cristallographe australien Arthur David Wadsley (1918-1969). L'olivine γ a, elle, été observée en 1969 dans une veine de choc de la météorite de Tenham (Australie) et nommée ringwoodite en l'honneur du géochimiste australien Alfred Edward Ringwood (1930-1993).

Figure 1. Veine de choc, impactites terrestres (cratère de Rochechouart)

Veine de choc, impactites terrestres (cratère de Rochechouart)

On trouve des impactites terrestres soit sous forme d'éjectas autour des cratères d'impacts, soit dans le substratum du cratère quand l'érosion l'a dégagé.

Dans les impactites trouvées à la surface de la Terre , la pression n'a pas été suffisante pour atteindre les conditions du manteau profond et former wadsleyite ou ringwoodite. Cependant, des phases minérales de hautes pressions ont été trouvées dans de telles impactites terrestres, comme les phases HP de la silice : coésite et stishovite. Ces phases de haute pression sont en particulier trouvées dans des fractures appelées « veines de choc » dans lesquelles se concentrent la déformation, voire la fusion, et où de très fortes pressions ont pu permettre la formation de phases minérales de très haute pression pendant le temps, très bref, de l'iimpact.

Dans les impactites de Rochechouart, aucune phase de haute pression n'a été trouvée, sans doute du fait de l'âge de l'impact et de la métastabilité de ces phases. La veine montrée ici est partiellement fondue et porte de ce fait le nom de «  pseudotachylite  ».

Retrouver cette illustration dans Comment sait-on qu'une météorite vient de Mars ? .


Figure 2. Veines de choc dans une météorite (ici une chondrite)

Veines de choc dans une météorite (ici une chondrite)

Les chocs lors des impacts subis par le corps parent lors de l'extraction des météorites ont développé un réseau de fractures appelées veines de choc. C'est, par exemple, dans de telles veines que l'ont peut espérer observer et caractériser des phases minérales de hautes pressions non accessibles par les échantillons terrestres naturels.

Retrouver cette illustration dans Chondre décalé par une micro-faille .


Figure 3. Minéral bleuté de ringwoodite dans la météorite de Tenham

Minéral bleuté de ringwoodite dans la météorite de Tenham

Lame mince observée en lumière polarisée non analysée.


La limite manteau supérieur / manteau inférieur, correspondant à la discontinuité sismique de 670 km est une discontinuité physique majeure puisque certains plaques en subduction y trouve une "résistance" à la poursuite de leur subduction. Des expériences à très hautes pressions (~25 GPa) mimant les conditions de cette limite, montrent que la ringwoodite subit non pas un passage vers une forme isochimique plus compacte mais une dissociation en deux phases distinctes selon la réaction :

  • (Mg,Fe)2SiO4 --> (Mg,Fe)SiO3 + (Mg,Fe)O.

L'oxyde de magnésium est le périclase, l'oxyde de fer est la wüstite et le mélange (Mg,Fe)O est appelé magnésiowüstite ou ferropériclase. La phase silicatée, elle, est cristallographiquement du groupe AXO3, dont la structure cristalline est voisine de celle de la pérovskite, CaTiO3, titanate (rare) naturel de calcium. De là découlent les noms de MgSiO3-perovskite ou Si-pérovskite ou pérovskite silicatée donnés initialement ; le nom de pérovskite, seul, étant un abus de langage (de même que l'olivine-spinelle fut aussi malheureusement parfois appelée simplement "spinelle") à proscrire.

Cette phase silicatée de très haute pression n'avait jamais été observée dans unéchantillon naturel avant 2009. Elle n'a pu être observée à ce jour que dans une veine de choc de la météorite de Tenham (Australie). Une première observation ayant détruit le cristal lors de sa caractérisation cristallographique, deux chercheurs, Chi Ma (Caltech) et Oliver Tschauner (Univ. du Névada), ont repris les recherches en utilisant d'autres moyens d'investigation physique et ont pu décrire complètement cette phase dont le nom officiel est, depuis le 2 juin 2014, bridgmanite , en l'honneur du physicien américain Percy Williams Bridgman, prix Nobel de physique en 1946 pour ses travaux sur les systèmes permettant de reproduire de très hautes pressions en laboratoire.


Ainsi, depuis un mois, les phases silicatées majeures du manteau terrestre ont toutes un nom officiel : olivine, wadsleyite, ringwoodite, (Mg,Fe)2SiO4, pour le manteau supérieur, et bridgmanite, (Mg,Fe)SiO3, pour le manteau inférieur. Notons aussi que la discontinuité sismique au sommet de la couche D'', à la base du manteau, est expliquée par certains chercheurs comme la marque d'une transition de phase isochimique de ce qui était alors encore appelé MgSiO3-perovskite vers une phase de très haute pression, la MgSiO3-post-pérovskite (généralement abrégée en post-perovskite). Cette phase silicatée de très haute pression, certainement impliquée dans la minéralogie et la dynamique de la couche D'', mériterait sans doute d'être désormais appelée post-bridgmanite .

La minéralogie générale du manteau

Profitons de ce que tous les minéraux majeurs du manteau ont aujourd'hui un nom officiel pour revoir la minéralogie générale du manteau en fonction de la profondeur.

En partant d'une composition péridotitique moyenne et en imposant des conditions de pression et température croissantes, l'évolution minéralogique attendue est la suivante.

En "surface" (faisons ici abstraction de la pellicule crustale, quand il y en a une), la péridotite est constituée d'olivine, et de pyroxènes (orthopyroxènes et clinopyroxènes, de formule générale (Ca,Mg,Fe)SiO3). L'aluminium, absent dans olivines et pyroxènes est présent dans des phases variables avec la profondeur : plagioclases (proches du pôle calcique CaAl2Si2O8) jusque vers 30-40 km, spinelles vrais (MgAl2O4 à (Mg,Fe)Al2O4) jusque vers 70 km (cf. les lames minces de Comment présenter les péridotites ? ), puis grenats de formule générale (Mg, Fe, Ca)3Al2Si3O12.

Les pyroxènes et les grenats forment ensuite une solution solide qui donne une composition de grenat particulière appelée Ca-majorite, (Mg, Fe, Ca)3(Fe,Si,Al)2Si3O12 avec la substitution d'Al par Si compensée par Fe2+, dont du calcium s'extrait vers 500 km de profondeur en donnant un silicate calcique, CaSiO3 appelé Ca-pérovskite.

Le passage dans le manteau inférieur est marqué par la dissociation de la ringwoodite en bridgmanite et magnésiowüstite, mais aussi par la dissociation de la Ca-majorite en bridgmanite, (Mg,Fe)SiO3, et en phases alumineuses (Al), en CaSiO3 (Ca) et en stishovite SiO2, silice de très haute pression (Si).

Enfin, selon les conditions de température à la base du manteau, la bridgmanite peut passer sous une forme de haute pression, la "post-bridgmanite", dans la couche D''.

Tentons de résumer tout cela dans une figure synthétique.

Figure 5. Évolution minéralogique d'une péridotite en fonction de la profondeur

Évolution minéralogique d'une péridotite en fonction de la profondeur

Voir aussi P. Gillet, 2005, Chimie et minéralogie du manteau .


Revenons à la bridgmanite nouvellement nommée. Remarquons que c'est, en volume, la phase minérale majoritaire du manteau inférieur (~70%) qui, lui-même, représente environ 55% du volume de la Terre soit environ 66% du volume du manteau et 65% du volume de Terre cristallisée (le noyau externe, liquide, représentant ~15% du volume de la Terre). Une estimation rapide nous indique donc que la bridgmanite, à elle seule, occupe plus de 40% du volume de la Terre et constitue donc sans aucun doute le minéral le plus abondant sur Terre !