La lawsonite est un minéral silicate d'aluminium et de calcium hydraté de formule chimique CaAl₂Si₂O₇(OH)₂·H₂O. Elle cristallise dans le système orthorhombique, présentant généralement le groupe d'espace Ccmm. Structurellement, la lawsonite consiste en des chaînes en forme de cadre d'octaèdres AlO₆ partageant des arêtes, réticulées par des groupes disilicate Si₂O₇ isolés. Cette configuration forme de grands canaux structurels parallèles à l'axe c, qui accueillent des cations Ca²⁺ et des molécules d'eau H₂O isolées. En raison de cette structure cristalline unique, la lawsonite contient environ 11,5 % en poids d'eau stoechiométrique dans son réseau. Elle présente une dureté Mohs de 6 à 6,5, une densité d'environ 3,09 et démontre un clivage prismatique distinct. Les compositions restent remarquablement proches de la formule de l'extrémité, avec seulement des substitutions mineures de fer (Fe³⁺) et de titane (Ti⁴⁺) remplaçant l'aluminium dans les sites octaédriques.
Le minéral a été identifié et décrit pour la première fois en 1895 par les minéralogistes américains Charles Palache et Frederick Leslie Ransome. La localité type de la lawsonite est la péninsule de Tiburon dans le comté de Marin, en Californie, où elle a été découverte au sein de roches métamorphiques contenant de la glaucophane appartenant au complexe franciscain. Palache et Ransome ont nommé l'espèce nouvellement découverte en l'honneur d'Andrew Cowper Lawson, éminent géologue canado-écossais et professeur à l'Université de Californie à Berkeley, qui a apporté des contributions fondamentales à la géologie tectonique et structurelle de l'ouest de l'Amérique du Nord. L'identification de la lawsonite a fourni aux premiers pétrologues métamorphiques un marqueur minéralogique essentiel qui s'avérerait plus tard indispensable à la formulation des concepts de séries de faciès métamorphiques de haute pression et basse température.
La lawsonite est un minéral index diagnostique indicatif d'un métamorphisme de haute pression et basse température (HP-LT), servant de phase définissante du faciès des schistes bleus et des régimes de basse température du faciès des éclogites. Son champ de stabilité thermodynamique s'étend sur des pressions d'environ 0,5 à plus de 3,0 GPa et des températures allant de 200°C à 500°C. La lawsonite se forme principalement par le métamorphisme prograde et la déshydratation des basaltes océaniques altérés, des gabbros et des grauwackes lors de la subduction. Aux degrés inférieurs, elle remplace des phases hydratées précurseurs telles que la laumontite, l'heulandite ou la pumpellyite via des réactions telles que la décomposition de la pumpellyite en présence de chlorite et de quartz pour produire de la lawsonite, de la glaucophane et du fluide.
Parce que la lawsonite peut conserver son eau structurelle à des pressions extrêmes où d'autres silicates hydratés comme la chlorite et l'amphibole se décomposent, elle agit comme l'un des principaux vecteurs minéralogiques pour transporter de l'H₂O volatil profondément dans le manteau supérieur de la Terre. La déshydratation profonde finale de la lawsonite à la limite entre la lawsonite-éclogite et l'amphibole-éclogite, libérant des fluides dans le coin mantellique sus-jacent, est largement considérée comme un déclencheur clé de la fusion partielle, du volcanisme d'arc et de la sismicité des zones de subduction à profondeur intermédiaire.
Structure cristallographique, caractéristiques optiques et classification
La lawsonite est un minéral sorosilicate de calcium et d'aluminium hydraté appartenant à la sous-classe des sorosilicates des minéraux silicatés. Elle cristallise dans le système cristallin orthorhombique et se présente couramment dans le groupe spatial Cmcm. Sa structure cristalline consiste en des chaînes d'octaèdres AlO₆ partageant des arêtes s'étendant parallèlement à l'axe cristallographique c. Ces chaînes octaédriques sont interconnectées par des groupes disilicate Si₂O₇ isolés, créant un cadre tridimensionnel rigide qui contient des canaux structurels occupés par des cations calcium ainsi que par des groupes hydroxyle essentiels et de l'eau moléculaire. Le minéral maintient généralement une composition très proche de sa formule idéale, CaAl₂Si₂O₇(OH)₂·H₂O, avec seulement une substitution chimique limitée, impliquant le plus souvent de petites quantités de fer ferrique remplaçant l'aluminium dans les sites octaédriques.
En échantillon à main, la lawsonite est généralement incolore, blanche, gris pâle ou légèrement bleutée, bien que des traces d'impuretés puissent produire une coloration vert pâle, bleu-vert ou rosâtre. Les cristaux bien formés sont généralement tabulaires ou d'aspect pseudo-tétragonal et peuvent se présenter sous forme de cristaux prismatiques courts, bien que le minéral se développe plus fréquemment sous forme d'agrégats à grain fin dans les roches métamorphiques. Optiquement, la lawsonite présente généralement un pléochroïsme faible à modéré dans les variétés colorées. En lumière polarisée, elle se caractérise par un relief positif élevé et une biréfringence modérée, ce qui la rend relativement facile à reconnaître en lame mince. Des macles peuvent se produire, bien qu'elles ne soient pas toujours une caractéristique diagnostique dominante. Ces propriétés optiques, combinées à sa présence distinctive dans les environnements métamorphiques de haute pression, font de la lawsonite un minéral important pour l'identification pétrographique.
Propriétés physiques et chimiques
La lawsonite possède une combinaison de propriétés physiques qui reflètent sa structure cristalline compacte malgré sa teneur en eau significative. Elle a une dureté Mohs d'environ 6 à 6,5, ce qui lui permet de rayer le verre et la rend plus dure que beaucoup d'autres minéraux silicatés hydratés. Sa densité varie généralement de 3,05 à 3,12, avec une valeur moyenne proche de 3,09. Le minéral présente un clivage bon à parfait sur les plans {010} et {100}, produisant des surfaces de clivage lisses qui présentent généralement un éclat vitreux à légèrement nacré.
L'une des caractéristiques chimiques les plus significatives de la lawsonite est sa forte concentration en eau structurellement liée, contenant environ 11 % en poids d'H₂O sous forme de groupes hydroxyle et d'eau moléculaire. Cette teneur importante en eau joue un rôle critique dans son importance géologique. Dans des conditions de surface normales, la lawsonite est relativement stable et résistante à l'altération et aux acides dilués. Cependant, une augmentation de la température finit par déstabiliser la structure cristalline, conduisant à des réactions de déshydratation et de décomposition. Dans les conditions de basse température et de haute pression typiques des zones de subduction, la lawsonite devient remarquablement stable et peut persister à des pressions dépassant 2 GPa et des températures approchant 600°C, lui permettant de transporter de l'eau à des profondeurs considérables à l'intérieur de la Terre.
Occurrence géologique et importance scientifique
La lawsonite est l'un des minéraux indicateurs les plus importants du métamorphisme de haute pression et basse température, et est particulièrement caractéristique des roches du faciès des schistes bleus formées dans des environnements de zones de subduction. Sa présence fournit une preuve solide de l'existence passée d'anciennes limites de plaques convergentes et de la subduction de la lithosphère océanique. Comme son champ de stabilité est bien contraint, la lawsonite est largement utilisée par les pétrologues métamorphiques pour reconstruire les histoires pression-température-temps (P-T-t) et pour évaluer les chemins d'enfouissement et d'exhumation des terrains métamorphiques. Elle se trouve couramment en association avec des minéraux tels que la glaucophane, la jadéite, l'épidote, le grenat et la phengite.
Au-delà de sa valeur en tant que minéral indicateur métamorphique, la lawsonite joue un rôle central dans les études du cycle de l'eau profonde de la Terre. Lors de la subduction, de grands volumes de fluides dérivés de l'eau de mer sont incorporés dans les minéraux hydratés au sein de la croûte océanique descendante. Comparée à de nombreux autres silicates hydratés qui libèrent de l'eau à des profondeurs relativement faibles, la lawsonite reste stable sur une large gamme de conditions de haute pression et est capable de transporter des quantités significatives d'eau dans le manteau supérieur profond. Pour cette raison, elle est considérée comme l'un des réservoirs minéraux les plus importants contrôlant le mouvement de l'eau de la surface de la Terre vers son intérieur.
La décomposition de la lawsonite à de plus grandes profondeurs a des conséquences géodynamiques majeures. Lorsque les conditions de pression et de température dépassent ses limites de stabilité, la lawsonite se décompose et libère des quantités substantielles de fluide aqueux tout en se transformant en assemblages minéraux du faciès des éclogites. La libération de ces fluides est largement considérée comme l'un des mécanismes pouvant contribuer à l'activité sismique à profondeur intermédiaire au sein des plaques en subduction. De plus, les fluides libérés lors de la déshydratation de la lawsonite migrent vers le haut dans le coin mantellique sus-jacent, où ils abaissent la température de fusion des roches du manteau et favorisent la fusion partielle. Ce processus contribue directement à la génération de magma sous les arcs volcaniques et joue un rôle fondamental dans le développement de nombreux volcans associés aux limites de plaques convergentes, y compris ceux entourant la ceinture de feu du Pacifique.