La minéralogie

Qu'est ce que la minéralogie ?

    La minéralogie est l'étude des minéraux.

    Les minéraux constituent les roches que l'on trouve sur la Terre, et en général sur toutes les planètes et corps rocheux. L'étude de ceux-ci est importante en géologie pour comprendre de nombreux aspects physiques des roches. Leur connaissance est critique tant sur les plans de la recherche que de l'exploitation des ressources minérales. En effet, toute exploitation repose sur leur extraction, leur purification et leur transformation, et ils sont omniprésents dans notre environnement : cristaux de quartz, de silicium en électronique par exemple.

    Pour certaines personnes comme moi, la fascination pour la perfection de leurs formes et leur éclat en a fait une passion.

    Certains d'entre eux ont une grande valeur intrinsèque, comme les pierres précieuses. Mais ce qui fait le charme de ces pierres, c'est que chacune est unique. Pour celui qui les a recueillies lui-même, chaque pièce à une histoire. Elle est liée au souvenir de sa découverte. Et quelle joie lorsque d'un coup de masse jaillit l'éclat limpide d'un cristal !

    Ainsi, la valeur d'une pièce est souvent plus sentimentale qu'intrinsèque. C'est pourquoi la minéralogie est aussi une passion, partagée par nombre d'amateurs de part le monde.

Les Minéraux

 

Qu'est ce qu'un minéral ?

    Un minéral est caractérisé par le fait qu'il est constitué d'une seule espèce chimique, c'est à dire que c'est un corps pur. En général, il est solide même si dans quelques rares cas il peut être liquide (Ex: le Mercure Hg ). Parmi ces corps purs, on distingue les corps purs simples des corps purs composés. Les premiers sont constitués d'un seul élément chimique (Ex: H, O, N, C, Fe ...). On connaît plus de 100 éléments chimiques, qui sont caractérisés par la composition de leur noyau et classés dans le tableau de Mendeleïev. Les corps purs composés contiennent eux plusieurs éléments, assemblés en Molécules (Ex: H₂O ) ou en structure Ionique (Ex: NaCl ).

    Il ne faut pas confondre Minéral et Roche. Une roche est un assemblage de différents minéraux. Le granit par exemple contient du Quartz, du Feldspath et du Mica.

Un peu de Cristallographie

    Les minéraux se présentent principalement sous 3 formes différentes:

• Des Cristaux Métalliques
• Des Cristaux Moléculaires ,Ioniques ou Covalents
• Des masses Amorphes

Les Cristaux Métalliques

    Ils sont constitués par une juxtaposition d'atomes, liés uniquement par les forces électrostatiques de Van der      Waals. C'est une interaction attractive entre les atomes qui assure la cohésion du cristal. Ainsi ces cristaux sont     en général peu durs. C'est entre autre le cas des métaux nobles, qui s'oxydent difficilement et peuvent se trouver   à l'état natif. Voici quelques exemples: Le Cuivre (Cu), L'Or (Au), L'Argent (Ag). On trouve aussi du Fer (Fe) natif, dans les météorites.

Les Cristaux Moléculaires et Ioniques

    Ces cristaux sont constitués par une juxtaposition de motifs qui sont soit une molécule soit un édifice ionique. Ces motifs sont régulièrement disposés et la cohésion du cristal est due à des interactions électrostatiques entre les molécules ou ions du cristal. Un exemple de cristal moléculaire: la Glace (H₂O). Un exemple de cristal ionique: le Sel de cuisine ou chlorure de sodium (NaCl) formé des ions Na⁺ et Cl^-. La cohésion de ces cristaux est assez bonne, ce qui fait que leur dureté est en général moyenne à forte.

Le cas des Cristaux Covalents

    Ces cristaux ont la particularité suivante: leurs motifs (Molécules ou Atomes) sont liés par une véritable liaison chimique (liaison covalente). Cette liaison est beaucoup plus forte que les interactions électrostatiques. Ces cristaux sont donc les plus durs qui soient. Le meilleur exemple est le Diamant (C) constitué d'atomes de carbone tous liés, chacun participant à 4 liaisons chimiques avec ses voisins. C'est le minéral le plus dur connu. Un autre minéral dur dont les molécules cette fois sont liées chimiquement est le Quartz (SiO₂): chaque motif SiO₂ est lié à 4 voisins selon une structure très rigide : 

Les masses de matière Amorphe

    Les minéraux peuvent enfin exister sous une forme qui n'est pas cristallisée. Cela peut être le cas lorsque la formation du minéral a été rapide, comme la solidification du basalte. Lors du refroidissement rapide, les minéraux fondus et mélangés n'ont pas le temps de se séparer et de cristalliser. On obtient alors des sortes de verres qui ne présentent pas de structure cristalline.

Les formes de Cristaux

    Les cristaux présentent une certaine géométrie liée à leur structure microscopique. On a remarqué que ces formes géométriques sont définies par la maille du cristal. La maille est un élément de structure qui se reproduit dans l'espace pour former le cristal. On a pris comme convention de représenter la maille par 3 vecteurs de l'espace. Ces trois vecteurs forment 3 angles a,b,g entre eux et leurs normes respectives sont a,b,c. Ils définissent une base de l'espace. Différents cas se présentent alors. On a classé 7 systèmes cristallins :

Système	relation sur les normes	relation sur les angles	Exemples de minéraux
Cubique	a = b = c	a = b = g = 90°	Fluorite, Halite
Quadratique	a = b ¹ c	a = b = g = 90°	Rutile
Orthorhombique	a ¹ b ¹ c	a = b = g = 90°	Barytine
Rhomboédrique	a = b = c	a = b = g ¹ 90°	a-Quartz
Hexagonal	a = b ¹ c	a = b = 90°, g = 120°	b-Quartz, Béryl
Monoclinique	a ¹ b ¹ c	a = g = 90°, b ¹ 90°	Azurite, Réalgar
Triclinique	a ¹ b ¹ c	[a ¹ b ¹ g] ¹ 90°	Chalcosidérite

Détermination des minéraux

 

L'échelle de dureté de Mohs

    Il existe une classification des minéraux par leur dureté. Cette classification empirique est due à Mohs, et contient 11 niveaux de dureté définis par des minéraux étalons. Voici cette échelle:

0	Matériau non solide (liquide)	Rayables à l'ongle
1	Talc
2	Gypse
3	Calcite	Rayables au couteau
4	Fluorite
5	Apatite
6	Orthose	Rayent le verre
7	Quartz
8	Topaze
9	Corindon
10	Diamant

    Cette classification est utilisée en pratique pour déterminer la nature d'un minéral. Il est en effet facile de le comparer à des étalons de dureté (l'ongle, le verre, l'acier ...). Cela permet souvent de distinguer des minéraux que leur couleur ou leur aspect ne permet pas de différencier.

La couleur de trace

    On utilise aussi la couleur de la trace des minéraux. Il s'agit de réaliser sur une tablette de porcelaine dure une trace du minéral par friction et d'en observer la couleur. Beaucoup de minéraux même colorés ont une trace incolore, mais certains ont des couleurs de traces caractéristiques. Voici quelques exemples :

	Trace blanche ou faiblement colorée, minéraux plus durs que la porcelaine	Quartz, Halite (sel), Calcite, Fluorite ...
	Trace bleu clair à bleu vert	Azurite, Lapis lazuli
	Trace rose à rouge-brun	Cinabre, Cuprite, Hématite
	Trace jaune pâle, orange à ocre	Réalgar, Or natif
	Trace brun-jaune à marron	Blende, Goethite, Rutile
	Trace vert pâle, vert-bleu, vert-gris à vert-noir	Chlorite, Malachite
	Trace grise à noire	Graphite, Stibine, Galène, Chalcopyrite

L'analyse chimique

    Enfin, lorsque l'on se trouve devant une pièce difficile à identifier, voire d'un type encore inconnu, il reste la possibilité de réaliser une analyse des constituants chimiques du minéral considéré. Cette méthode est la plus directe mais aussi la plus lourde à mettre en oeuvre. Mais dans certains cas, c'est la seule qui permet d'aboutir à la reconnaissance exacte de la nature d'un minéral.

La formation des minéraux

Les formations minérales

    Les minéraux se forment dans des conditions physiques particulières. Il existe plusieurs types de roches sur Terre (voir Paléontologie - la fossilisation), et chacun de ces types possède des minéraux caractéristiques. La formation d'un minéral a lieu dans différentes conditions, liées à la roche hôte. En voici plusieurs :

Les minéraux des filons hydrothermaux

Ces minéraux prennent naissance à partir d'un fluide circulant dans des fissures de la roche hôte. Au contact des parois de la fissure, les minéraux se déposent. Lorsqu'il reste de l'espace libre, de beaux cristaux peuvent se développer. Dans le cas contraire, le filon sera massif. Un exemple de filon hydrothermal est celui des fentes alpines, célèbres pour les quartz entre autres. On peut signaler que beaucoup de gisements exploités pour certains minéraux (minerais bases de l'extraction de métaux), notamment des métaux précieux (Or, Argent), ont une origine hydrothermale.

Les minéraux volcanique

Ces minéraux se forment pour leur part à la suite de phénomènes volcaniques. On peut les rencontrer dans les laves, mais aussi autour de fumeroles, dans des cavités des roches. Certains sont dits pneumatolytiques, c'est à dire que des gaz sont intervenus au cours de leur formation. Certains minéraux se forment exclusivement dans ces conditions, mais une partie des minéraux dits volcaniques peuvent se retrouver dans d'autres roches. Exemples: l'Olivine, le Soufre, mais aussi le Fer natif par exemple, qui se retrouve dans les météorites. Il ne faut pas mettre dans cette catégorie les minéraux des roches magmatiques, qui ne se sont pas formées lors d'épisodes éruptifs. Les roches magmatiques proviennent de la solidification lente du magma, bain de silicates fondus. Types de ces roches : granites, pegmatites.

Les minéraux des formations sédimentaires

Ces minéraux se rencontrent au sein même des roches sédimentaires. Ils peuvent cependant présenter de beaux cristaux. Dans cette catégorie se rangent les minéraux évaporitiques, liés à la disparition de l'eau qui les contenait en solution. Exemples: sel (NaCl), potasse (KCl), gypse (CaSO₄). D'autres se forment dans les cavités ou constituent la roche même, comme la Calcite (CaCO₃), la Fluorine (CaF₂).

Les minéraux d'oxydation

Ces minéraux résultent de la transformation de minéraux présents antérieurement par des facteurs météorologiques. L'air, l'eau ou le gaz carbonique de l'atmosphère réagissent sur des minéraux contenant des espèces peu oxydées (Métaux, Sulfures) pour former des oxydes ou des carbonates. Cette réaction a lieu le plus souvent près de la surface, au contact de l'atmosphère, comme dans les parties affleurantes des filons hydrothermaux. Exemple de minéraux associés à un filon de plomb : Le plomb du filon est initialement sous forme de sulfure (Galène PbS). Dans la zone d'oxydation on rencontre des minéraux représentant des formes plus oxydées du plomb : Pyromorphite, Wulfénite, Cérusite.

Le Quartz

Le cas du Quartz est particulier. En effet, le Quartz peut se rencontrer dans toutes les formations minérales; c'est en effet le minéral le plus abondant sur Terre, dont l'élément chimique le plus abondant dans le manteau est le Silicium.