Olivine

Olivine Catégorie IX : silicates[1]
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 chimique	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

Inventeur et étymologie

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

Caractéristiques physico-chimiques

Cristallochimie

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 (en) : Mn₂SiO₄ ;
• larnite (en) : 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 :

• monticellite (en) : CaMgSiO₄ ;
• kirchsteinite (en) : CaFeSiO₄.

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

• picrotephroïte : MnMgSiO₄ ;
• knebelite : MnFeSiO₄.

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

Possède un fort relief à l'observation au microscope polarisant, ainsi qu'une forte biréfringence, teintes vives du 2^e au 3^e 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 = 10,091 Å, = 5,961 Å et = 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

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

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

Gîtologie et minéraux associés

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

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 Mg_2-xFe_xSiO₄ + 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

• En France, le maar de Beaunit, au Nord de la chaine des puys dans le Puy-de-Dôme, près de Langeac et du Puy-en-Velay dans la Haute-Loire et à Allanche dans le Cantal.
• Sur l’île de La Réunion au Piton de la Fournaise, on trouve dans les coulées de basalte des macrocristaux d'olivine.
• On en trouve également sur l'île de Lanzarote.

Utilisations

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

• 

  Cristaux d'olivine dans un sable d'une plage de l'île d'Oahu (Hawaii) - Largeur de champ = 5,5 mm.

Autres images sur Wikimedia Commons : Olivine et Péridot.

Article connexe

• Ringwoodite, forme polymorphe de l'olivine.

Notes et références

• Portail des minéraux et roches
• Portail de la chimie