Experimental mineralogy : achievements and prospects

Résumé En Fr

Part I : One aspect of the progress in experimental mineralogy, the capability of sustaining in the laboratory the pressures and temperatures believed to exist in the earth, is reviewed, from Réaumur (1727) to the present. The dominance of the French schools in the earliest period of growth, the impact of Sir James Hall's study of the melting of calcite under pressure, the evolution of the principles of phase equilibria and their application to phase diagrams, and the importance of eutectics and crystal fractionation are highlighted. The early history of the quenching technique used in examining high-temperature phase equilibria, the pioneering development of apparatus that could withstand relatively high pressures, and the recognition of the role of volatiles in mineral synthesis and growth are described. The major developments of high-pressure apparatus include externally and internally heated gas-media devices, solid-media pressure vessels, simple squeezers, and the related diamond-anvil, high-pressure cells. Conditions equivalent to those at the core-mantle boundary can now be sustained in the laboratory. Part II : As a result of the dramatic developments in high-pressure and high-temperature apparatus as well as in a wide variety of characterization techniques, at least eight major areas of basic research in experimental mineralogy are believed to be appropriate for expanded effort. These include (1) synthesis and characterization of mirerals and mineral assemblages stable in the mantle and core, (2) measurement of crystal structure at high pressures and temperatures simultaneously, (3) determination of the structure of silicate liquids and development of theories for nucleation and melting, (4) kinetics of mass transfer in crystals and liquids including crystal zoning, order-disorder, metasomatism, aggregation, convection, and mixing of magmas, as well as the diffusion and infiltration of elements through porous media under both stressed and hydrostatic conditions, (5) study of materials of minute dimension, especially the groundmass of igneous rocks, sea-bottom sediments, fibers, and clays, (6) characterization of organic minerals such as those in coal and particularly determination of the influence of living organisms on the growth of inorganic crystals (biomineralization), and (7) study of silicate systems in hydrogen at low pressures, simulating the condensation and aggregation of the primordial earth. The challenge of the future is primarily the discovery of mineral resources for the use of mankind. Basic research in (8) the principles of element concentration is considered the most important contribution to be made by the next generation of experimental mineralogists.

1re partie : on présente une revue, depuis Réaumur (1727) jusqu'à nos jours, d'un aspect des projets réalisés en minéralogie expérimentale pour obtenir en laboratoire les conditions de pression et de température que l'on suppose exister dans la terre. On met en évidence la prééminence des écoles françaises dans la toute première période de croissance, l'impact de l'étude de la fusion de la calcite sous pression par Sir James Hall, l'évolution des principes d'équilibre de phase de leur application aux diagrammes de phase et l'importance des eutectiques et de la cristallisation fractionnée. On décrit les débuts des techniques de trempe utilisées pour examiner les équilibres de phases de haute température, et des appareils qui pouvaient atteindre des pressions relativement fortes, et la reconnaissance du rôle des produits volatils dans la synthèse minérale et la croissance. Les développements majeurs des appareils à haute pression comprennent les enceintes à pression gazeuse, chauffées intérieurement ou extérieurement, les enceintes à pression de confinement par milieu solide, les presses simples et les cellules de haute pression à enclume de diamant apparentées. Des conditions équivalentes à celles de la limite noyau-manteau peuvent maintenant être obtenues en laboratoire. 2e partie : les rapides développements des appareils à haute pression et haute température ainsi que la grande variété des techniques de caractérisation laissent penser qu'en minéralogie expérimentale, des efforts doivent être portés dans au moins huit domaines majeurs de la recherche fondamentale. Ils comprennent (1) la synthèse et la caractérisation des minéraux et assemblages de minéraux stables dans le manteau et le noyau, (2) la mesure de la structure cristalline simultanément à hautes pressions et hautes températures, (3) la détermination de la structure des liquides silicatés et le développement de théories pour la nucléation et la fusion, (4) la cinétique de transfert de masse dans les cristaux et les liquides y compris la zonation des cristaux, l'ordre-désordre, la métasomatose, l'agrégation, la convection et le mélange des magmas, ainsi que la diffusion et l'infiltration des éléments à travers des milieux poreux sous contrainte et pression hydrostatique, (5) l'étude des matériaux de dimensions minuscules, spécialement la masse des roches ignées, les sédiments marins, les fibres et les argiles, (6) la caractérisation des minéraux organiques tels que ceux se trouvant dans le charbon et en particulier la détermination de l'influence des organismes vivants sur la croissance des cristaux inorganiques (biominéralisation), et (7) l'étude des systèmes silicatés dans l'hydrogène à basses pressions, simulant la condensation et l'agrégation dans la terre primitive. Le défi du futur est principalement la découverte de ressources minérales pour les besoins du genre humain. La recherche fondamentale dans (8) les principes de la concentration des éléments est considérée comme la contribution la plus importante de la part des minéralogistes expérimentaux pour la génération future.