Experimental studies on cation substitutions and fluid incorporation in cordierite
Authors: Schreyer Werner 
Published: March 2019

Cet article passe en revue les connaissances actuelles concernant les variations chimiques possibles de la cordiérite, minéral à charpente silicatée complexe, d'après des expériences de synthèse dans des systèmes simples. La structure cristalline de la cordiérite étant considérée, ces variations sont dues d'une part aux substitutions de cations dans les sites octaédriques et/ou tétraédriques — substitutions qui peuvent ou non être liées à l'introduction de cations dans les sites des canaux (= [Ch]) — et d'autre part à l'incorporation de molécules gazeuses au sein des canaux. Partant de la cordiérite chimiquement la plus simple Mg2[6][(Al4Si5)[4] O18] (= magnésiocordiérite), une solution solide limitée est déjà possible dans le système ternaire MgO-Al2O3-SiO2 grâce aux substitutions Mg[4] + Si[4] = 2Al[4] et Si[6] + 1/2 □[6] = Al[4] + 1/2Mg[6]. Le seul remplacement de Mg[6] dans la cordiérite-Mg par Fe2+, Mn2+ et Co2+ conduit à la ferrocordiérite, la manganocordiérite et la cobaltocordiérite. Des synthèses de cordiérites ferrifères contenant Fe3+ en positions octaédriques, tétraédriques ou même dans les canaux n'ont pas encore pu être vérifiées. Des alcalins peuvent être introduits dans la cordiérite-Mg selon les schémas de substitution suivants : Na[ch] + Be[4] = Al[4], Na[ch] + Al[4] = Si[4], K[ch] + Al[4] = Si[4], Cs[ch] + Al[4] = Si[4]. L'ion lithium, plus petit, a la possibilité d'entrer dans deux sites grâce aux substitutions ci-après (partant de la cordiérite-Mg) : Li[6] + Si[4] = Mg[6] + Al[4], Li[ch] + Li[6] = Mg[6] et Na[ch] + Li[6] = Mg[6]. Le béryllium peut aussi être incorporé dans la cordiérite, indépendamment de toute occupation des canaux par le sodium, par le moyen de la substitution Be[4] + Si[4] = 2Al[4] conduisant au pôle Mg2[6][BeAl2Si6O18] qui voit ses anneaux à six tétraèdres occupés uniquement par le silicium, comme le béryl.

Les molécules H2O sont incorporées dans les canaux de la cordiérite en quantités croissantes avec l'augmentation de la pression d'eau et décroissantes avec l'augmentation de la température, dans tout le domaine de stabilité de la cordiérite. D'après les données I.R. sur poudre, les cordiérites synthétiques de toute composition sans alcalin ne contiennent que des molécules de type I dont le vecteur H-H est orienté parallèlement à l'axe c des canaux. Les cordiérites synthétiques contenant Na et K (voir ci-dessus) renferment en outre, ou de manière prédominante, de l'eau de type II dont le vecteur H-H est perpendiculaire à c par suite de l'interaction avec les ions alcalins des canaux. Les ions Li des canaux ont une influence différente sur l'eau des canaux comme le montrent les données I.R. sur poudre modifiées. Les molécules CO2 des canaux, ayant leur axe d'allongement parallèle à a , sont maintenues plus fermement dans la structure de la cordiérite que les molécules H2O, mais le partage CO2/H2O entre cordiérite et fluide coexistant est très favorable à l'entrée de l'eau dans le solide. L'argon est aussi connu pour pénétrer dans les canaux de la cordiérite tandis que CO est largement transformé en CO2.

A des températures inférieures à celles de la stabilité de la cordiérite-Mg, les pentes dP/dT des isoplètes de l'eau dans les canaux de positives deviennent négatives, de telle sorte que les teneurs en eau des cordiérites métastables de basse température, et ainsi de toutes les cordiérites naturelles, devraient décroître quand P et T diminuent. Cependant, les cinétiques de déshydratation de la cordiérite étudiées expérimentalement ne sont pas du tout favorables et des teneurs molaires de 0,5-0,6 H2O par unité formulaire peuvent persister dans les cordiérites métastables pendant des laps de temps géologiques. La transformation stable de la cordiérite en assemblages hydratés ("pinite") nécessite apparemment la présence de fluides externes tandis que l'eau des canaux demeure inerte.