Cohénite

La cohénite (Fe,Ni,Co)3C, nommée en l’honneur du minéralogiste et pétrographe allemand Emil Cohen (de), est un carbure de fer dans lequel le fer est partiellement remplacé par du nickel (0,5-3 %)[5] et du cobalt (< 1 %). Cristallisant dans le système orthorhombique (groupe d'espace no 62, Pnma ou Pbnm[4]), ce minéral argenté, dur et cassant, est la même espèce cristalline que la cémentite Fe3C, carbure de fer presque pur formé dans les fontes et les aciers de l’industrie métallurgique.

Cohénite
Catégorie I : Éléments natifs[1]
Général
Nom IUPAC Carbure de trifer
Numéro CAS 12011-67-5 (EINECS : 234-566-7)
Classe de Strunz
1.BA.05
Classe de Dana
1.1.16.1
Formule chimique CFe3 (Fe,Ni,Co)3C[2]
Identification
Masse formulaire[3] 179,546 ± 0,007 uma
C 6,69 %, Fe 93,31 %,
Couleur gris étain ;
devient bronze clair à jaune d’or par oxydation
Classe cristalline et groupe d'espace Orthorhombique bipyramidale (mmm)
Groupe no 62 (Pnma ou Pbnm[4])
Système cristallin Orthorhombique
Réseau de Bravais Primitif Z = 8

Pnma : a = 5,069 Å, b = 6,736 Å, c = 4,518 Å
Pbnm : a = 4,518 Å, b = 5,069 Å, c = 6,736 Å
Clivage (100), (010) et (001) : bon
Cassure Très fragile
Habitus Aiguilles ou lamelles, mais aussi en intercroissance (en) dendritique avec le fer
Échelle de Mohs 5,5 à 6
Éclat Métallique
Propriétés optiques
Transparence Opaque
Propriétés chimiques
Densité 7,20 à 7,65
Propriétés physiques
Magnétisme Ferromagnétique (TC ≈ 480 K)
Radioactivité Aucune
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Découverte et autres occurrences

La cohénite fut découverte en 1887 dans la météorite Magura[6] par le minéralogiste et pétrologue allemand Ernst Weinschenk (en) qui l’isola, l’analysa, la nomma[7] et en reconnut l’identité avec la cémentite[8]. Cette dernière avait été identifiée par Frederick Abel en 1885[9].

La cohénite est assez régulièrement présente dans les météorites de fer et dans le métal des météorites mixtes, sous la forme de bâtonnets submillimétriques à millimétriques (jusqu’à 8 mm). On la rencontre presque uniquement au contact de fer contenant entre 6 et 8 % de nickel. Elle y est généralement accompagnée de schreibersite (Fe,Ni)3P (avec laquelle on la confond souvent[10]), de troïlite FeS et de graphite C. On trouve aussi la cohénite dans les chondrites à enstatite[11], certaines uréilites[12] et quelques chondrites ordinaires[13], ainsi que dans des sols et roches lunaires[14].

La cohénite est également présente dans certaines roches terrestres mais elle est très rare. On ne la rencontre que dans des contextes extrêmement réducteurs, notamment là où du magma a envahi un gisement de charbon ou de lignite comme à Uivfaq sur l’île de Disko (Groenland)[15] ou à Bühl près de Cassel (Land de Hesse, Allemagne)[16]. On la trouve aussi en inclusion dans des diamants et des minéraux cogénétiques du diamant[17].

Mode de formation

Dans les aciers la cémentite se forme essentiellement entre 1150 et 730 °C, par précipitation à partir du carbone dissous dans le fer liquide, et il en est probablement de même pour la cohénite dans les environnements naturels où du fer liquide s’est solidifié (noyau des corps parents des météorites, et sur Terre dans des conditions particulières). Cette formation est cependant paradoxale car à basse pression la cémentite (la cohénite) n’est stable à aucune température (on devrait observer l’assemblage Fe-C au lieu de Fe-Fe3C). On l’observe finalement pour deux raisons : d’une part l’assemblage Fe-C est à peine plus stable que Fe-Fe3C (la décomposition Fe3C → 3 Fe + C n’induit qu’une faible diminution de l’enthalpie libre), et d’autre part la nucléation de la cémentite est beaucoup plus aisée que celle du graphite (sa structure est plus proche de celle de la phase mère, le fer liquide). L’instabilité de la cémentite se manifeste cependant par sa décomposition spontanée, en quelques heures à quelques jours seulement quand on la maintient à haute température (> 700 °C)[18]. La cémentite des fontes et des aciers ne se décompose pas parce que leur refroidissement a été rapide et qu’à basse température la vitesse de décomposition est devenue pratiquement nulle (de même que les diamants restent indéfiniment dans cet état métastable alors qu’à basses température et pression la forme stable du carbone est le graphite).

Concernant la cohénite, le plus paradoxal n’est pas qu’elle ait pu se former, mais qu’elle ait réussi à nous parvenir sans se décomposer. Les grandes masses de fer liquide générées à Uivfaq ou Bühl ont dû mettre des milliers d’années, et celles des météorites des dizaines ou centaines de Ma à traverser la gamme de températures où la décomposition est rapide. Pour résoudre ce paradoxe on a cherché si une forte pression, ou la présence de Ni et Co (voire celle d’éléments en traces comme P) pouvaient stabiliser la cohénite et en rendre ainsi la décomposition impossible ou excessivement lente. Après une assez longue controverse[19] il semble finalement que la résistance des cohénites terrestres et extraterrestres à la décomposition soit la résultante de deux facteurs : (1) la perfection structurale et texturale de leurs cristaux (qui rend très difficile la nucléation du graphite), elle-même la conséquence du très lent refroidissement à l’origine de la précipitation de la cohénite ; (2) l’influence du nickel sur la cinétique de formation ou de décomposition (au-dessus de 8 % de nickel dans un fer liquide riche en carbone dissous la cohénite ne se forme pas, au-dessous de 6 % les cohénites terrestres et extraterrestres ont pu se former mais se sont décomposées au cours du refroidissement[11]).

Notes et références
  1. La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.
  2. La masse formulaire et les paramètres de maille indiqués dans l’encadré sont ceux de Fe3C pur.
  3. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  4. La désignation de ce groupe dépend de l’ordre choisi pour les axes : c < a < b (Pnma) ou a < b < c (Pbnm).
  5. (en) J. F. Lovering, « Electron microprobe analysis of terrestrial and meteoritic cohenite », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 28, nos 10-11,‎ , p. 1745-1748, IN23-IN26, 1749-1755 (DOI 10.1016/0016-7037(64)90020-1).
  6. Météorite de fer trouvée en 1880 près de Námestovo (région de Žilina, actuellement en Slovaquie mais alors en Hongrie).
  7. Une espèce chimique ne constitue un minéral que quand on l’observe dans la nature, et chaque minéral se voit attribuer un nom spécifique. La cémentite était juste un composé chimique produit par l’homme.
  8. (de) E. Weinschenk, « Ueber einige bestandtheile des meteoreisens von Magura, Arva, Ungarn », Annalen des K. K. Naturhistorischen Hofmuseums, vol. IV, no 2,‎ , p. 93-101 (lire en ligne, consulté le ).
  9. (en) George F. Becker, « Relations between local magnetic disturbances and the genesis of petroleum », United States Geological Survey Bulletin, Washington, Government Printing Office, no 401,‎ , p. 19-22 : Facts bearing on carbide of iron theory (lire en ligne, consulté le ).
  10. (en) H. H. Nininger, « Testing for cohenite and schreibersite », Popular Astronomy, vol. 59, no 5,‎ , p. 254-260.
  11. (en) Robin Brett, « Cohenite : its occurrence and a proposed origin », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 31, no 2,‎ , p. 143-146, IN1, 147-159 (DOI 10.1016/S0016-7037(67)80042-5).
  12. (en) Cyrena A. Goodrich et John L. Berkley, « Primary magmatic carbon in ureilites: Evidence from cohenite-bearing metallic spherules », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 50, no 5,‎ , p. 681-691 (DOI 10.1016/0016-7037(86)90345-5)
  13. (en) G. J. Taylor, A. Okada, E. R. D. Scott, A. E. Rubin, G. R. Huss et K. Keil, « The occurrence and implications of carbide-magnetite assemblages in unequilibrated ordinary chondrites », Lunar and Planetary Science XII,‎ , p. 1076-1078 (lire en ligne, consulté le ).
  14. (en) J. I. Goldstein, R. H. Hewins et A. D. Romig Jr., « Cohenite in lunar soils and rocks », Proceedings of the 7th Lunar Conference, Washington, Pergamon Press,‎ , p. 807-818 (lire en ligne, consulté le ).
  15. C’est Emil Cohen lui-même qui identifia la première cohénite terrestre dans le fer de Uivfaq (également écrit Ovifak), en 1897.
    (sv) Helge Löfquist et Carl Axel Fredrik Benedicks, « Det stora nordenskiöldska järnblocket från Ovifak: Mikrostruktur och bildningssätt », Kungliga Svenska Vetenskaps-Akademiens Handlingar, 3e série, vol. 19,‎ , p. 1-96 ;
    (en) Cyrena A. Goodrich et John M. Bird, « Formation of iron-carbon alloys in basaltic magma at Uivfaq, Disko Island: The role of carbon in mafic magmas », The Journal of Geology, The University of Chicago Press, vol. 93, no 4,‎ , p. 475-492.
  16. (de) Paul Ramdohr, « Neue Beobachtungen am Bühl-Eisen », Sitzungsberichte der Deutsche Akademie der Wissenschaften zu Berlin, : Klasse für Mathematik und allgemeine Naturwissenschaften, vol. : Jahrgang 1952, no 5,‎ , p. 9-24.
  17. (en) D. E. Jacob, A. Kronz et K. S. Viljoen, « Cohenite, native iron and troilite inclusions in garnets from polycrystalline diamond aggregates », Contributions to Mineralogy and Petrology, vol. 146, no 5,‎ , p. 566-576 (DOI 10.1007/s00410-003-0518-2).
  18. (en) Cyril Wells, « Graphitization of high purity iron-carbon alloy », Transactions of the American Society of Metals, vol. 26,‎ , p. 289-357.
  19. (en) A. E. Ringwood, « Cohenite as a pressure indicator in iron meteorites », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 20, no 2,‎ , p. 155-158 (DOI 10.1016/0016-7037(60)90059-4) ;
    (en) Michael E. Lipschutz et Edward Anders, « The record in the meteorites–IV : Origin of diamonds in iron meteorites », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 24, nos 1-2,‎ , p. 83-88, IN5-IN8, 89-90, IN9-IN10, 91-105 (DOI 10.1016/0016-7037(61)90009-6) ;
    (en) A. E. Ringwood et Merken Seabrook, « Cohenite as a pressure indicator in iron meteorites–II », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 26, no 4,‎ , p. 507-509 (DOI 10.1016/0016-7037(62)90097-2) ;
    (en) Edward Olsen, « Some calculations concerning the effect of nickel on the stability of cohenite in meteorites », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 28, no 5,‎ , p. 609-617 (DOI 10.1016/0016-7037(64)90081-X) ;
    (en) Michael E. Lipschutz et Edward Anders, « Cohenite as a pressure indicator in iron meteorites ? », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 28, no 5,‎ , p. 699-708, IN7-IN8, 709-711 (DOI 10.1016/0016-7037(64)90086-9) ;
    (en) A. E. Ringwood, « Cohenite as a pressure indicator in iron meteorites-III Comments on a paper by Lipschutz and Anders », Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 29, no 5,‎ , p. 573-579 (DOI 10.1016/0016-7037(65)90049-9) ;
    (en) Robin Brett, « Cohenite in meteorites : A proposed origin », Science, vol. 153, no 3731,‎ , p. 60-62 (DOI 10.1126/science.153.3731.60).
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