Quelle est l’énigme géologique de la dolomite et qu’avons-nous découvert ?

Les sommets de Les Dolomites Ils interpellent les voyageurs et les alpinistes depuis des siècles, mais aussi les géologues qui tentent d’expliquer l’origine de ces montagnes légendaires.

Pourquoi le minéral à partir duquel les Dolomites et de nombreuses autres formations géologiques anciennes sont constituées est-il à peine formé sur Terre aujourd’hui ? Pourquoi ne sommes-nous pas capables de cristalliser la dolomite dans des conditions ambiantes dans nos laboratoires ?

Les scientifiques tentent de résoudre ces deux grandes questions depuis plus de deux cents ans. Nous sommes désormais sur le point de trouver une réponse.

Dolomie : un minéral très ordonné

Pour comprendre les difficultés posées par dolomite minérale [MgCa(CO₃)₂] Lors de la cristallisation, il faut tout d’abord tenir compte du fait qu’au sein de sa structure, les atomes de magnésium et de calcium ne sont pas répartis de manière aléatoire, mais alternent en couches. Pour qu’un cristal de dolomite se forme, par exemple, à partir d’eau de mer, une couche d’atomes de magnésium doit être complétée avant qu’une couche d’atomes de calcium ne soit déposée.

Mais en réalité, cela n’arrive pas. Ce qui se passe réellement, c’est que les atomes de calcium et de magnésium arrivent de manière désordonnée à la surface des cristaux de dolomite et s’accumulent en couches de composition mixte.

Cependant, la structure d’un cristal de dolomite comportant des atomes désordonnés de calcium et de magnésium n’est pas stable et a tendance à se réorganiser pour minimiser l’énergie.

Comment les atomes de calcium et de magnésium peuvent-ils se séparer en couches ordonnées une fois le cristal formé ?

Dissoudre pour bien recristalliser

Aux températures auxquelles se forment les roches sédimentaires, il semble que la seule façon pour les cristaux de dolomite d’acquérir leur disposition caractéristique d’atomes de calcium et de magnésium est de se dissoudre partiellement et de se recristalliser. De cette manière, les atomes peuvent se déplacer plus ou moins librement et se réorganiser en couches différenciées.

Partant de cette idée, déjà en 1967, Cher homme a réalisé des expériences dans lesquelles il a soumis des précipités avec des compositions prédolomitiques à des cycles de dissolution et de cristallisation, c’est-à-dire avec environ 50 % de magnésium et 50 % de calcium.

Avec quelques variantes, les expériences de Liebermann furent ensuite répétées par Deelman (1999) et, plus récemment, par Dos Anjos et collaborateurs (2011) et pour Pimentel (2017)le tout à des températures avoisinant les 30 °C.

Aucun de ces chercheurs n’a obtenu de cristaux de dolomite démontrant clairement que les atomes de magnésium et de calcium étaient dans les bonnes positions. Cependant, leurs expériences ont montré que les cycles de dissolution-cristallisation peuvent produire d’importants changements minéralogiques et chimiques au sein des sédiments et des roches chargés d’eau.

Très récemment, une équipe de des chercheurs des universités du Michigan (États-Unis) et de Hokkaido (Japon) a réussi, à l’aide du faisceau électronique d’un microscope électronique à transmission, à dissoudre et recristalliser le bord d’un cristal de dolomite plusieurs milliers de fois en quelques heures.

Selon les chercheurs qui ont réalisé cette expérience intéressante, le résultat a été la formation de quelques nouvelles couches cristallines avec un certain degré de disposition de leurs atomes de calcium et de magnésium.

Bien que l’expérience ait été réalisée à 80 °C, une température bien supérieure à celle à laquelle les Dolomites se sont formées, elle constitue une nouvelle preuve que les cycles de dissolution-cristallisation pourraient être fondamentaux pour leur formation.

Existe-t-il des cycles de dissolution-recristallisation dans la nature ?

L’une des choses qui différencie notre planète du reste des planètes et satellites du système solaire sont les cycles physiques, chimiques et biologiques infinis qui y sont observés.

Sur Terre, nous pouvons mesurer, entre autres, les oscillations journalières et saisonnières de température, d’humidité et de biomasse, les variations quasi cycliques du niveau de la mer (marées), les changements périodiques du pH et de la salinité de l’eau des lagunes à marée, des marais et des mers restreintes (comme la mer Morte).

Même sur une échelle de temps plus longue, des variations sur des dizaines de milliers, voire des millions d’années, de la concentration de magnésium et de calcium dans les océans, de CO₂ et d’oxygène atmosphériques, etc. ont été enregistrées dans les roches.

Ce type d’oscillations signifie qu’à la surface de la Terre, de nombreux minéraux peuvent se dissoudre partiellement et se cristalliser à nouveau (pensez, par exemple, au sel qui se forme et se dissout encore et encore le long des côtes de toutes les mers). Dans le cas de la dolomite, ce processus constant de dissolution-cristallisation permettrait également à ses atomes de magnésium et de calcium de s’organiser progressivement en couches.

Mais combien de temps faut-il pour trier un cristal de dolomite ?

Il s’agit d’une question clé qui préoccupe et continue de préoccuper les géologues depuis de nombreuses décennies. Cependant, nous sommes désormais plus près de savoir si l’arrangement complet des atomes de magnésium et de calcium dans la dolomite se produit sur des centaines d’années, des millions d’années ou des dizaines de millions d’années. Et ces connaissances sont fondamentalement obtenues grâce à deux stratégies de recherche.

D’une part, certains scientifiques mènent des expériences de formation de dolomie à des températures bien supérieures à celles auxquelles ce minéral se forme normalement dans la nature (pas plus de 60 °C). Ils extrapolent ensuite les valeurs du taux d’ordre de leurs atomes de magnésium et de calcium à des températures géologiquement plus réalistes.

Dans cet axe de recherche, les expérimentations publiées en 2019 par Kell-Duivestein et al.qui a conclu que, pour les températures typiques de leur formation, les cristaux de dolomie seraient presque entièrement ordonnés par dissolution-cristallisation en quelques millions d’années.

Ce résultat est en accord avec l’estimation d’environ 10 millions d’années récemment publiée par le des chercheurs des universités du Michigan et d’Hokkaidobasé sur des simulations informatiques sophistiquées et l’expérience de dissolution-cristallisation cyclique à 80 ° C mentionnée ci-dessus.

D’un autre côté, des chercheurs comme Manche et Kaczmarekainsi que notre groupe de recherche du Département de Minéralogie et Pétrologie de l’Université Complutense de Madrid et de l’Institut de Géosciences IGEO (UCM-CSIC)se concentrent depuis des années sur l’analyse du degré d’ordre des atomes de magnésium et de calcium dans les dolomites naturelles formées au cours des 775 millions d’années.

Grâce à la diffraction des rayons X, il a été possible d’évaluer ce degré de disposition dolomite de nombreuses formations rocheuses (y compris les Dolomites). Et le résultat est assez révélateur : les dolomites âgées de plus de 30 millions d’années présentent des valeurs d’ordre maximales, tandis que les dolomites géologiquement plus récentes sont, en général, d’autant moins ordonnées que leur formation est plus récente.

Les analyses par diffraction des rayons X indiquent également clairement que les dolomies se sont recristallisées au fil du temps, ce qui s’explique si l’on suppose l’existence de cycles répétés de dissolution-cristallisation sur des millions d’années.

Mais il y a autre chose : les données nous ont permis de faire un premier estimation de la vitesse à laquelle les dolomies sont triées et recristallisées tout au long des temps géologiques, ce qui ouvre également la porte au développement de nouvelles méthodes de datation des roches.

Bien qu’il reste encore beaucoup à faire, les recherches menées au cours des dernières décennies ont clairement montré qu’à la surface de la Terre, la formation de grandes masses de dolomite ne peut s’expliquer que par une séquence de processus de dissolution et de recristallisation largement répandus au cours des temps géologiques. Et il ne serait pas surprenant que de nombreux autres minéraux terrestres se forment de la même manière.