Dolomite

L’énigme est simple à énoncer. Environ 30 % de l’ensemble des carbonates sédimentaires en masse sont de la dolomite, ou de la dolomie, la roche qui en est en grande partie constituée. De vastes carbonates de plate-forme, d’âge précambrien à mésozoïque, sont dolomitisés sur des centaines de mètres d’épaisseur et des milliers de kilomètres carrés de superficie. Pourtant, les sédiments marins actuels ne contiennent presque pas de dolomite, dont la présence se limite à une poignée de contextes inhabituels : sebkhas, lagunes hypersalines, tapis microbiens. Et en laboratoire, les tentatives de faire précipiter de la dolomite ordonnée à partir de solutions contenant du Mg et du Ca à température ambiante ont échoué de façon reproductible pendant plus de deux siècles.

Le test le plus célèbre est celui de Lynton Land. En 1998, il a rendu compte du résultat d’une unique expérience qu’il avait menée, sans la perturber, pendant trente-deux ans : une solution mille fois sursaturée par rapport à la dolomite, maintenue à 25 °C. Au bout de trois décennies, aucune dolomite n’avait précipité.

Il s’avère que l’obstacle est cinétique, et non thermodynamique. Le magnésium en solution porte une sphère de six molécules d’eau étroitement liées. Retirer cette sphère d’hydratation pour incorporer Mg²⁺ dans un réseau carbonaté, puis le faire en couches alternant avec Ca²⁺ afin d’obtenir l’ordre caractéristique, coûte assez d’énergie pour que le processus cale à basse température. La calcite se forme sans difficulté. La protodolomite, précurseur riche en Ca et partiellement désordonné, se nuclée parfois. Le minéral ordonné et stœchiométrique qui domine l’enregistrement géologique ancien, lui, ne se forme pas.

Plusieurs explications ont été proposées avant 2023, chacune rendant compte de certaines occurrences de dolomite, mais aucune de toutes. Le modèle d’infiltration-reflux, formalisé par Adams et Rhodes en 1960, fait s’enfoncer des saumures denses et riches en magnésium, issues de lagunes en cours d’évaporation, à travers les sédiments carbonatés sous-jacents ; le modèle de la sebkha, élaboré au milieu des années 1960 à partir des plaines côtières d’Abou Dabi, invoque la précipitation de gypse dans ces plaines supratidales pour relever le rapport Mg/Ca des saumures interstitielles. La dolomitisation d’enfouissement à température élevée rend compte des ciments de dolomite en selle fréquents dans de nombreux réservoirs de pétrole et de gaz. À partir des années 1990, la précipitation à médiation microbienne, d’abord démontrée dans la boue anoxique de Lagoa Vermelha, au Brésil, a donné un rôle à la biologie : les bactéries sulfato-réductrices et d’autres semblent abaisser la barrière cinétique en modifiant la chimie de surface à l’interface cellule-minéral.

Fin 2023, Joonsoo Kim, Wenhao Sun et leurs collègues de la University of Michigan et de la Hokkaido University ont montré que de la dolomite ordonnée peut croître à température ambiante si la solution environnante alterne entre sursaturation et légère sous-saturation. Ils ont associé des simulations à l’échelle atomique à une observation expérimentale directe.

Lorsque la dolomite commence à précipiter à partir d’une solution, la surface initiale est désordonnée sur le plan des cations, Mg et Ca occupant leurs sites du réseau pratiquement au hasard. Ces zones désordonnées portent une forte contrainte de surface qui freine la croissance ultérieure. Si la solution devient alors brièvement sous-saturée, les zones désordonnées de haute énergie se dissolvent préférentiellement et mettent à nu un matériau mieux ordonné en dessous. Quand la sursaturation revient, la croissance reprend à partir de cette surface plus ordonnée. Des cycles répétés, sous l’effet des marées, de l’évaporation, des variations de salinité ou des fluctuations de pH, peuvent accélérer la croissance de la dolomite jusqu’à sept ordres de grandeur par rapport à des conditions stationnaires. L’équipe a confirmé le mécanisme par microscopie électronique en transmission en cellule liquide in situ, en observant la dolomite croître en temps réel après des impulsions de dissolution.

Ce résultat concorde avec les lieux où la dolomite naturelle se forme réellement aujourd’hui : plaines de marée, étangs hypersalins, tapis microbiens, autant d’endroits où les conditions chimiques fluctuent de façon routinière. Il ne met pas fin aux modèles microbien et d’enfouissement. Les surfaces cellulaires bactériennes comme les températures élevées produisent vraisemblablement, les unes comme les autres, des conditions fluctuantes équivalentes à la surface du cristal, et le mécanisme de dissolution-recroissance leur fournit une explication commune. Le problème de la dolomite n’est peut-être pas définitivement réglé (certains sédimentologues restent peu convaincus que le résultat de laboratoire soit transposable aux volumes de dolomie de l’enregistrement géologique), mais pour la première fois, un mécanisme relie l’observation en laboratoire, les occurrences actuelles et l’abondance ancienne.

La reconnaissance de la dolomite comme minéral distinct est l’œuvre de deux chimistes de la fin du XVIIIe siècle. Déodat Guy Silvain Tancrède Gratet de Dolomieu, aristocrate français, chevalier de Malte, voyageur, finalement prisonnier de guerre, traversait les Alpes du Tyrol du Sud en 1788 et 1789 lorsqu’il a remarqué une roche calcaire qui ne faisait pas fortement effervescence dans l’acide. Il a publié cette observation dans le Journal de Physique en 1791. L’année suivante, le chimiste suisse Nicolas-Théodore de Saussure a analysé la roche, en a identifié la composition calco-magnésienne et l’a nommée dolomie en l’honneur de Dolomieu. La forme anglaise « dolomite » est entrée dans la langue anglaise en 1794.

La chaîne de montagnes, les Dolomites du nord-est de l’Italie, a pris le même nom peu après. L’essentiel de ses spectaculaires parois verticales et de ses remparts est constitué de la Dolomia Principale, appelée Hauptdolomit en allemand : une plate-forme carbonatée d’âge norien pouvant atteindre un kilomètre d’épaisseur, déposée dans des mers tropicales peu profondes il y a environ 210 millions d’années. Les Tre Cime di Lavaredo sont constituées principalement de Dolomia Principale ; le massif du Sella et de nombreux sommets environnants sont dominés par la Dolomie du Sciliar, plus ancienne (Ladinien), et par des carbonates apparentés du Trias moyen à supérieur. La Marmolada, point culminant de la chaîne, fait figure d’exception notable : elle est faite surtout du Calcaire de la Marmolada, d’âge ladinien, qui a échappé à la dolomitisation. L’UNESCO a inscrit les Dolomites au patrimoine mondial en 2009, en invoquant à la fois leur intérêt géomorphologique et la préservation, dans leur stratigraphie, de plates-formes carbonatées mésozoïques, des « atolls fossilisés », qui enregistrent le rétablissement des écosystèmes marins après l’extinction de masse de la fin du Permien.

La dolomite pèse économiquement bien au-delà de son intérêt scientifique. La dolomie est un granulat de construction et une pierre de taille de premier plan. Calcinée à environ 1 800 °C, elle donne la « doloma » frittée, un réfractaire basique utilisé pour garnir les fours d’aciérie. Le procédé Pidgeon réduit la dolomite calcinée avec du ferrosilicium sous vide pour produire du magnésium métallique, et la dolomite reste une matière première essentielle de la magnésie (MgO) utilisée dans les réfractaires, l’agriculture et le traitement de l’environnement. La dolomie broyée, appliquée sous forme de « chaux dolomitique », neutralise les sols acides et apporte le magnésium qui se trouve au centre de chaque molécule de chlorophylle.

Les dolomies renferment aussi une part disproportionnée des hydrocarbures des réservoirs carbonatés du monde, la formation Khuff sous la plaque arabique, les réservoirs du Permian Basin au Texas et au Nouveau-Mexique, la zone Arab-D de Ghawar, parce que la dolomitisation tend à améliorer la porosité et la perméabilité par rapport au calcaire précurseur. La même lithologie héberge la plupart des gisements plomb-zinc de type Mississippi Valley du monde, de la Viburnum Trend du Missouri à Pine Point, dans les Territoires du Nord-Ouest du Canada. Les dolomies de couverture qui surmontent les successions glaciaires du Néoprotérozoïque restent des archives essentielles pour reconstituer la Terre boule de neige et l’événement d’oxygénation néoprotérozoïque, aussi difficile à lire que soit leur histoire diagénétique.

La dolomie a édifié une grande partie des Alpes, fournit le garnissage réfractaire de l’industrie sidérurgique et conserve l’enregistrement carbonaté des glaciations néoprotérozoïques. Le mécanisme par lequel le minéral se forme n’est élucidé que maintenant.