Minéral nominalement anhydre

L'intérêt pour les minéraux nominalement anhydres commence en 1960 avec la découverte, par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, de la présence de groupes hydroxyles OH dans le quartz SiO₂[1], un minéral important en géologie et dans l'industrie. De l'eau moléculaire H₂O est identifiée au sein de la cordiérite Al₃Mg₂AlSi₅O₁₈ en 1964[2], et du béryl Be₃Al₂Si₆O₁₈ en 1967[3]. La présence de groupes OH ou H₂O est démontrée ensuite dans de nombreux autres minéraux, et notamment en 1969 dans le minéral le plus abondant du manteau supérieur, l'olivine (Mg,Fe)₂SiO₄[4], ce qui pose le problème de la présence possible d'une quantité significative d'eau dans la Terre profonde.

En 2021, la teneur en eau de onze grains d'orthopyroxènes de référence a été mesurée précisément : d'indétectable à 249 ± 6 µg/g H₂O. Divers échantillons d'orthopyroxène extraits de péridotites à spinelle d'altération variable (provenant des dorsales atlantique et arctique ainsi que de l'avant-arc (en) Izu-Bonin-Mariannes) ont ensuite été analysés avec la même technique : leurs teneurs en eau vont de 68 ± 7 à 261 ± 11 µg/g H₂O et sont fortement corrélées avec leurs teneurs en Al₂O₃ et Cr₂O₃[5].

Les techniques de spectrométrie infrarouge permettent de distinguer les minéraux dans lesquels des molécules d'eau s'insèrent dans des cavités de la structure cristalline, comme le béryl, de ceux dans lesquels des groupes OH « décorent » des défauts ponctuels, sont chimiquement liés au réseau cristallin, et ont en général une orientation privilégiée. On réserve plutôt à ces derniers la qualification de minéraux nominalement anhydres.

La présence d'hydrogène lié au réseau cristallin via les groupes OH a de nombreuses conséquences, même à de très faibles concentrations (typiquement, quelques dizaines ou centaines de ppm). L'un des principaux effets est une forte baisse de la rigidité et une nette facilitation de la déformation plastique, un phénomène connu sous le nom anglais de water weakening (« fragilisation due à l'eau »). Particulièrement notable pour le quartz[6], cet effet est également significatif pour différents silicates[7] dont l'olivine[8], avec d'importantes conséquences pour la convection du manteau supérieur.

La présence d'hydrogène a aussi pour effet d’augmenter la conductivité électrique[9], d'accélérer la diffusion des éléments majeurs[10] - [11], d'abaisser la température du solidus[12] et de modifier, dans un sens ou dans un autre, la pression (donc la profondeur, dans le manteau) des autres transitions de phase[13].