Au cœur de la structure des plagioclases : révision du formalisme thermodynamique permettant de modéliser le comportement de ces minéraux

Si les feldspaths plagioclases sont l’un des constituants majeurs de la croûte terrestre, leur comportement en regard des conditions pressions-températures n’est pas évident à modéliser. Une étude apporte cependant une nouvelle approche pour mieux contraindre les propriétés de cette famille de minéraux qui connaît de nombreuses transitions de phases.

Les feldspaths plagioclases : une grande famille de minéraux au comportement complexe

Les feldspaths plagioclases représentent une famille de minéraux silicatés particulièrement importante dans la croûte terrestre et plus généralement dans l’ensemble des planètes rocheuses. Dans la famille des plagioclases, la composition des minéraux varie entre deux pôles : un pôle sodique représenté par l’albite (NaAlSi₃O₈) et un pôle calcique représenté par l’anorthite (CaAl₂Si₂O₈). La composition des cristaux étant sensible aux conditions de pression et de température au moment de leur cristallisation, les feldspaths plagioclases s’avèrent être des minéraux très intéressants pour comprendre l’évolution des roches de la croûte terrestre. L’analyse de ces minéraux permet en effet de retracer les chemins pressions-températures qu’ils ont suivi.

Les plagioclases ont la particularité de subir des transitions de phase, c’est-à-dire de changer de structure, en fonction de la température et/ou d’un changement de composition. Ce processus est en lien avec l’ordre-désordre des atomes de silice et d’aluminium présents dans la structure du cristal. Or, ce phénomène d’ordre-désordre complique grandement la modélisation du comportement des feldspaths et l’obtention de leurs propriétés thermodynamiques. Jusqu’à présent, trois approches différentes étaient proposées pour résoudre ce problème, mais ont mené à des résultats antagonistes.

Cristaux d’albite, un minéral de la famille des feldspaths plagioclases © Didier Descouens, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Ordre-désordre des atomes et état énergétique

Dans une nouvelle étude, Benoît Dubacq de l’Institut des Sciences de la Terre de Paris, propose donc une nouvelle approche : ses simulations atomistiques sont basées sur la méthode de Monte Carlo (approche mathématique probabiliste) et permettent d’expliquer et de contraindre de manière indépendante l’état énergétique de l’anorthite, de l’albite et de leur solution solide en fonction de la température et de leur état d’ordre. Ses résultats, publiés dans Contributions to Mineralogy and Petrology, rejoignent ceux des études utilisant la théorie de Landau, qui permet de quantifier l’énergie liée à la mise en ordre des structures cristallines et prédit un comportement fortement non-idéal de la solution solide entre l’albite et l’anorthite, contrairement aux modèles les plus récents, qui s’avèrent erronés.

Cette étude permet une révision du formalisme thermodynamique adéquat pour modéliser le comportement des plagioclases. Ce comportement apparaît fondamentalement lié au phénomène dit d’« Al-avoidance », où les atomes d’aluminium se placent le plus loin possible les uns des autres au sein de la structure cristalline. Cet agencement est difficile à réaliser le long de la solution solide entre l’albite et l’anorthite car leurs motifs de mise en ordre sont incompatibles. Il en découle une mise en ordre impossible pour certaines compositions chimiques, ce qui force l’instabilité de la solution solide et mène à l’apparition de plusieurs minéraux coexistant de la famille des plagioclases.

Résumé rédigé par Morgane Gillard

Pour en savoir plus : Dubacq, B. Thermodynamics of ordering and mixing in plagioclase feldspars: atomistic modelling in favour of Landau theory. Contrib Mineral Petrol 177, 102 (2022). https://doi.org/10.1007/s00410-022-01965-y