Influence du pH et de la température sur l'anisotropie de la dissolution de l'olivine

Mesure nanométrique du retrait d'une surface d'olivine par interférométrie verticale à balayage — Mesure du retrait d’une surface cristallographique d’olivine après dissolution. Une partie de la surface est protégée avant réaction et sert de référence afin de mesurer directement, à l’échelle nanométrique, la différence de hauteur entre la surface initiale et la surface dissoute.

Points clés

Ce que montre l’étude

La dissolution de l’olivine est fortement anisotrope : les quatre faces étudiées ne présentent pas la même vitesse de réaction dans des conditions chimiques identiques.

Entre 30 et 90 °C, l’ordre de réactivité reste systématiquement r₍₀₁₀₎ > r₍₁₃₀₎ > r₍₁₁₁₎ > r₍₁₁₀₎ .

L’influence du pH dépend de l’orientation cristallographique : à 90 °C, l’ordre de réaction vis-à-vis de H⁺ varie de 0,65 pour la face (010) à 1,07 pour la face (110).

La réactivité relative des faces est liée à leur énergie de surface calculée ab initio, en accord avec le modèle de dissolution dit « stepwave ».

Résumé

Une même olivine, plusieurs vitesses de dissolution

L’olivine est un minéral majeur des roches mafiques et ultramafiques. Sa réactivité contrôle de nombreux processus naturels, depuis l’altération des silicates et la serpentinisation jusqu’aux interactions eau–roche dans les environnements terrestres et extraterrestres. Elle est également au cœur de plusieurs stratégies de capture et de minéralisation du CO₂.

Pourtant, une particule d’olivine n’est pas une surface chimiquement uniforme. Un cristal expose différentes faces cristallographiques dont la structure atomique, l’énergie et la densité de sites réactifs diffèrent. Une description macroscopique reposant sur une seule vitesse de dissolution peut donc masquer une partie importante de la réactivité réelle du minéral.

Cette étude quantifie directement la dissolution de quatre faces majeures de l’olivine : (010), (130), (111) et (110). Leur microtopographie est mesurée avant et après réaction afin de déterminer le retrait de surface et d’en déduire des vitesses de dissolution propres à chaque orientation cristallographique.

Les expériences couvrent des températures comprises entre 30 et 90 °C et, à 90 °C, une gamme acide de pH 1 à 6. Cette stratégie permet de déterminer séparément l’influence de l’orientation cristallographique, du pH et de la température sur la cinétique de dissolution.

Les résultats démontrent que le classement relatif des faces reste stable avec la température, mais que leur sensibilité au pH diffère fortement. À l’inverse, l’énergie d’activation apparente de la dissolution ne montre pas de différence significative entre les orientations étudiées dans les conditions comparables.

Résultat principal

La dissolution de l’olivine ne peut pas être considérée comme isotrope. Dans toutes les conditions étudiées, la face (010) est la plus réactive et la face (110) la moins réactive, selon l’ordre r₍₀₁₀₎ > r₍₁₃₀₎ > r₍₁₁₁₎ > r₍₁₁₀₎. L’écart entre les faces les plus rapide et la plus lente passe d’environ un ordre de grandeur à pH 1 à plus de deux ordres de grandeur à pH 6. Cette anisotropie est étroitement liée à l’énergie de surface propre à chaque orientation cristallographique.

Résultats expérimentaux

Orientation cristallographique, pH et température contrôlent différemment la dissolution

Les mesures face par face permettent de séparer des paramètres qui sont généralement mélangés dans les expériences réalisées sur des poudres minérales. L’anisotropie persiste avec la température, tandis que la dépendance vis-à-vis des protons varie significativement selon la surface considérée.

Ordre de réactivité (010) > (130) > (111) > (110) Même classement des quatre faces entre 30 et 90 °C.

Contraste maximal > 2 ordres À pH 6, plus de deux ordres de grandeur séparent la vitesse de dissolution de la face (010) de celle de la face (110).

Dépendance au pH · 90 °C n = 0,65–1,07 Ordre de réaction vis-à-vis de H⁺ : 0,65 ± 0,03 pour (010), 0,88 ± 0,03 pour (130), 0,80 ± 0,02 pour (111) et 1,07 ± 0,08 pour (110).

Énergie d’activation ≈ 60–70 kJ·mol⁻¹ Les résultats ne montrent pas de dépendance significative à l’orientation à pH 2, ni au pH pour la face (010).

Preuves expérimentales

Chaque face répond différemment à l’acidité

Les relations entre log(r) et le pH sont linéaires dans la gamme étudiée, mais leurs pentes diffèrent selon l’orientation cristallographique. Ces différences montrent que la sensibilité de la dissolution à l’activité des protons est une propriété propre à chaque face et non uniquement une propriété globale du minéral.

Variation du logarithme des vitesses de dissolution de quatre faces d'olivine en fonction du pH à 90 et 30 degrés Celsius — **Dépendance des vitesses de dissolution au pH** Variation du logarithme des vitesses de dissolution mesurées à l’état stationnaire en fonction du pH à **(a) 90 °C** et **(b) 30 °C**. Les points rouges, bleus, noirs et jaunes représentent respectivement les faces (010), (111), (110) et (130). À 90 °C, les différentes pentes des régressions traduisent des ordres de réaction vis-à-vis de H⁺ spécifiques à chaque orientation. La face (010) reste la plus réactive sur l’ensemble de la gamme de pH étudiée.

Signification géochimique

Pourquoi l’anisotropie doit être prise en compte dans les modèles de réactivité minérale

La vitesse de dissolution apparente de l’olivine dépend non seulement de la température et du pH, mais également des faces cristallographiques réellement exposées au fluide. Comme la morphologie d’un cristal évolue au cours de sa dissolution, sa réactivité globale peut donc elle aussi évoluer avec le temps. La relation observée entre vitesse et énergie de surface offre une base physique pour dépasser les lois cinétiques strictement empiriques et prédire la réactivité de différentes morphologies cristallines. Cette paramétrisation est particulièrement pertinente pour améliorer les modèles d’altération des silicates, d’interactions eau–roche, de serpentinisation, de weathering renforcé et de minéralisation du CO₂, ainsi que pour interpréter la persistance de l’olivine dans les environnements planétaires.

Publication

Référence scientifique

Citation

Wild, B., Bas-Lorillot, J., Daval, D. (2025). Effect of pH and temperature on olivine dissolution anisotropy. Geochimica et Cosmochimica Acta, 405, 55–65.

DOI : 10.1016/j.gca.2025.08.004

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