Il est impensable de débuter l'étude des roches sans avoir préalablement présenté leurs constituants : les minéraux.
DÉFINITION
Un minéral est un solide, généralement inorganique et naturel, possédant une composition chimique définie et une structure atomique ordonnée. Il est constitué de la répétition dans toutes les directions d'un ensemble d'atomes (Si, O, Al, K, Na, Ca, ...), formant un réseau ordonné dans l'espace appelé réseau cristallin.
Les propriétés d'un minéral dépendront de son réseau cristallin, dépendant lui-même de la composition chimique du minéral.
Les propriétés d'un minéral dépendront de son réseau cristallin, dépendant lui-même de la composition chimique du minéral.
Vue supérieure du réseau cristallin du quartz (SiO2).
En rouge : atomes d'oxygène (O) ; en jaune : atomes de silicium (Si). Attention, cette image ne rend pas compte de l'aspect tridimensionnel des réseaux cristallins... Ainsi, comme les êtres vivants sont constitués de cellules elles-mêmes faites de molécules constituées d'atomes, les roches sont constituées de minéraux elles-mêmes constituées d'atomes. (image : RasTop).
En rouge : atomes d'oxygène (O) ; en jaune : atomes de silicium (Si). Attention, cette image ne rend pas compte de l'aspect tridimensionnel des réseaux cristallins... Ainsi, comme les êtres vivants sont constitués de cellules elles-mêmes faites de molécules constituées d'atomes, les roches sont constituées de minéraux elles-mêmes constituées d'atomes. (image : RasTop).
LES 7 SYSTÈMES CRISTALLINS
PROPRIÉTÉS DES MINÉRAUX
Propriétés optiques : comportement face à la lumière
La couleur, la fluorescence, la trace, l'éclat, la perméabilité à la lumière (transparence/opacité), l'indice de réfraction.
La détermination des minéraux selon leurs propriétés optiques est facilitée par leur observation au microscope polarisant.
Propriétés physiques : comportement face aux autres matériaux
> L'habitus
L'habitus est la forme prise par le cristal. Le quartz de haute température a pour habitus le prisme hexagonal bipyramidé, la fluorite le cube ou l'octaèdre, la calcile, le rhomboèdre, etc (voir plus haut).
> La densité
La densité est le rapport entre la masse volumique du minéral (kg/m3) et la masse volumique de l'eau (1 000 kg/m3). Elle dépend de sa composition chimique et de sa structure. Elle s'exprime sans unité.
On qualifie de "lourd" un minéral ayant une densité supérieure à 2,9 (zircon, grenat, rutile, spinelle), c'est-à-dire un minéral qui coule dans un bain de bromoforme. La densité élevée (4,5) de la barytine (BaSO4) la distingue des autres minéraux qui lui ressemblent.
> La dureté
La dureté est la résistance d'un minéral à la destruction mécanique. Elle s'exprime généralement par l'échelle de Mohs, où les duretés relatives des minéraux sont comparées en les frottant l'un contre l'autre : un minéral est plus dur qu'un autre s'il raye ce dernier. Elle comporte 10 graduations représentant 10 minéraux référence de dureté croissante :
PRATIQUE ! Comme le verre et l'acier ont une dureté comprise entre 6 et 7, ils rayeront l'orthose mais seront rayés par le quartz ! De même, l'ongle, qui a une dureté comprise entre 2 et 3, rayera le talc et le gypse mais sera rayé par la calcite. (Attention tout de même à préserver les plus beaux échantillons de ces deux espèces !)
REMARQUE : Les intervalles entre 2 graduations ne sont pas proportionnels : en plaçant le quartz à 7 et le corindon à 9, il serait ainsi logique d'attribuer au diamant une dureté de 42 !
> Le clivage
Le clivage est l'aptitude pour un minéral à se fendre selon des plans de ruptures privilégiés, parallèles entre eux, appelés plans de clivage. Ces plans de rupture traduisent des anisotropies mécaniques. Dans un cristal, ils sont liés à l'orientation des plans atomiques.
Les micas, minéraux à clivages parfaits qui se débitent préférentiellement en paillettes, ont un plan de clivage suivant la face basale du prisme (001). Les deux plans de clivages des amphiboles forment un angle de 124°, ceux des pyroxènes 87°.
> La cassure
La cassure...
Autres
Le magnétisme, la radioactivité, la solubilité, la dissolution, le goût, l'odeur, le toucher.
Macles - Épitaxie
Une macle est une association de cristaux de même nature selon une opération symétrique précise liée au système cristallin considéré. Elle peut concerner 2 (m. simples), plusieurs (m. multiple) ou de nombreux cristaux (m. polysynthétique). Les cristaux sont réunis suivant une surface bien définie (le plan de composition) qui peut être :
REMARQUE : On emploie parfois à tort le terme de "macle mécanique" pour désigner des déformations mécaniques secondaires affectant des cristaux et leur donnant parfois des aspects faussement maclés (ex. calcite, olivine).
La couleur, la fluorescence, la trace, l'éclat, la perméabilité à la lumière (transparence/opacité), l'indice de réfraction.
La détermination des minéraux selon leurs propriétés optiques est facilitée par leur observation au microscope polarisant.
Propriétés physiques : comportement face aux autres matériaux
> L'habitus
L'habitus est la forme prise par le cristal. Le quartz de haute température a pour habitus le prisme hexagonal bipyramidé, la fluorite le cube ou l'octaèdre, la calcile, le rhomboèdre, etc (voir plus haut).
> La densité
La densité est le rapport entre la masse volumique du minéral (kg/m3) et la masse volumique de l'eau (1 000 kg/m3). Elle dépend de sa composition chimique et de sa structure. Elle s'exprime sans unité.
On qualifie de "lourd" un minéral ayant une densité supérieure à 2,9 (zircon, grenat, rutile, spinelle), c'est-à-dire un minéral qui coule dans un bain de bromoforme. La densité élevée (4,5) de la barytine (BaSO4) la distingue des autres minéraux qui lui ressemblent.
> La dureté
La dureté est la résistance d'un minéral à la destruction mécanique. Elle s'exprime généralement par l'échelle de Mohs, où les duretés relatives des minéraux sont comparées en les frottant l'un contre l'autre : un minéral est plus dur qu'un autre s'il raye ce dernier. Elle comporte 10 graduations représentant 10 minéraux référence de dureté croissante :
- Talc (Ta)
- Gypse (Grosse)
- Calcite (Concierge)
- Fluorite (Folle)
- Apatite (d'Amour)
- Orthose (Ose)
- Quartz (Quémander)
- Topaze (Tes)
- Corindon (Caresses)
- Diamant (Divines)
PRATIQUE ! Comme le verre et l'acier ont une dureté comprise entre 6 et 7, ils rayeront l'orthose mais seront rayés par le quartz ! De même, l'ongle, qui a une dureté comprise entre 2 et 3, rayera le talc et le gypse mais sera rayé par la calcite. (Attention tout de même à préserver les plus beaux échantillons de ces deux espèces !)
REMARQUE : Les intervalles entre 2 graduations ne sont pas proportionnels : en plaçant le quartz à 7 et le corindon à 9, il serait ainsi logique d'attribuer au diamant une dureté de 42 !
> Le clivage
Le clivage est l'aptitude pour un minéral à se fendre selon des plans de ruptures privilégiés, parallèles entre eux, appelés plans de clivage. Ces plans de rupture traduisent des anisotropies mécaniques. Dans un cristal, ils sont liés à l'orientation des plans atomiques.
Les micas, minéraux à clivages parfaits qui se débitent préférentiellement en paillettes, ont un plan de clivage suivant la face basale du prisme (001). Les deux plans de clivages des amphiboles forment un angle de 124°, ceux des pyroxènes 87°.
> La cassure
La cassure...
Autres
Le magnétisme, la radioactivité, la solubilité, la dissolution, le goût, l'odeur, le toucher.
Macles - Épitaxie
Une macle est une association de cristaux de même nature selon une opération symétrique précise liée au système cristallin considéré. Elle peut concerner 2 (m. simples), plusieurs (m. multiple) ou de nombreux cristaux (m. polysynthétique). Les cristaux sont réunis suivant une surface bien définie (le plan de composition) qui peut être :
- Une face en commun (macle par accolement) ;
- Quelconque (macle par interpénétration).
REMARQUE : On emploie parfois à tort le terme de "macle mécanique" pour désigner des déformations mécaniques secondaires affectant des cristaux et leur donnant parfois des aspects faussement maclés (ex. calcite, olivine).
L'épitaxie est un phénomène d'orientation cristallographique mutuelle de cristaux d'espèces différentes, qui n'est possible que si les réseaux cristallins présentent de nombreuses analogies dans leurs éléments de symétrie (ex. rutile sur hématite, pyrite sur galène, etc.).
CLASSIFICATION DES MINÉRAUX
Comme les espèces biologiques, pour faciliter le travail des minéralogistes et dégager une certaine logique dans cette discipline, les minéraux sont classés en fonction de leur composition chimique, et plus précisément en fonction de l'anion majeur qui les constitue.
L'abondance des minéraux est très variable d'une espèce à l'autre, d'un groupe à l'autre, et d'une classe à l'autre. On estime en tout cas qu'avec :
Nous nommons ici les classes, exposons brièvement leurs principales caractéristiques et les principaux groupes constitutifs, et nous citons quelques exemples à titre indicatif.
Classe I : Eléments natifs (20 espèces env.)
Minéraux constitués d'un seul élément chimique :
Classe II : Sulfures et sulfosels
Minéraux constitués de l'anion S2- : Pyrite (FeS2)
Classe III : Oxydes et hydroxydes
Minéraux constitués de l'anion oxyde (O2-) ou hydroxyde (OH-) :
Classe IV : Halogénures
Minéraux constitués d'un anion halogénure (X-) :
Classe V : Carbonates, nitrates et borates
Minéraux constitués de l'anion carbonate (CO32-), nitrate (NO3-) ou borate (BO2-) :
Classe VI : Sulfates et dérivés
Minéraux constitués de l'anion sulfate (SO42-) : gypse [CaSO4(2,H2O)], anhydrite (CaSO4), barytine (BaSO4).
Classe VII : Phosphates et dérivés
Minéraux constitués de l'anion phosphate (PO43-) : Apatite [Ca5(PO4)3(OH,Cl,F)]. Trois espèces sont reconnues, nommées selon l'anion prévalent :
Classe VIII : Silicates
Minéraux constitués de l'anion silicate (SiO44-), ce sont les minéraux les plus abondants de la croûte terrestre. Ils sont répartis en 6 sous-classes en fonction de leur charpente :
Classe IX : Minéraux organiques (ambre, ...)
L'abondance des minéraux est très variable d'une espèce à l'autre, d'un groupe à l'autre, et d'une classe à l'autre. On estime en tout cas qu'avec :
- 300 espèces minérales, on couvre 99,9 % de l'écorce terrestre ;
- 30 espèces minérales, on couvre 99 % de l'écorce terrestre ;
- 15 espèces minérales, on couvre 90 % de l'écorce terrestre.
Nous nommons ici les classes, exposons brièvement leurs principales caractéristiques et les principaux groupes constitutifs, et nous citons quelques exemples à titre indicatif.
Classe I : Eléments natifs (20 espèces env.)
Minéraux constitués d'un seul élément chimique :
- Métaux : Or (Au), Argent (Ag), Cuivre (Cu), Platine (Pt), ...
- Semi-métaux : Antimoine (Sb), Arsenic (As), Bismuth (Bi), ...
- Métalloïdes : Soufre (S), Diamant/Graphite (C).
Classe II : Sulfures et sulfosels
Minéraux constitués de l'anion S2- : Pyrite (FeS2)
Classe III : Oxydes et hydroxydes
Minéraux constitués de l'anion oxyde (O2-) ou hydroxyde (OH-) :
- Oxydes :
- Hydroxydes : Brucite [MgO(OH)], goethite [FeO(OH)], diaspore et boehmite [AlO(OH)], gibbsite [Al(OH)3], ...
Classe IV : Halogénures
Minéraux constitués d'un anion halogénure (X-) :
- Chlorures : Halite ou sel gemme (NaCl) au goût salé, sylvite (KCl) au goût amer.
- Fluorures : Fluorite (CaF2).
Classe V : Carbonates, nitrates et borates
Minéraux constitués de l'anion carbonate (CO32-), nitrate (NO3-) ou borate (BO2-) :
- Carbonates : Calcite et aragonite (CaCO3), dolomite [Mg,Ca(CO3)2] et minéraux d'altération du cuivre (azurite, malachite).
- Nitrates.
- Borates.
Classe VI : Sulfates et dérivés
Minéraux constitués de l'anion sulfate (SO42-) : gypse [CaSO4(2,H2O)], anhydrite (CaSO4), barytine (BaSO4).
Classe VII : Phosphates et dérivés
Minéraux constitués de l'anion phosphate (PO43-) : Apatite [Ca5(PO4)3(OH,Cl,F)]. Trois espèces sont reconnues, nommées selon l'anion prévalent :
- Chlorapatite Ca5(PO4)3Cl ;
- Fluorapatite Ca5(PO4)3F ;
- Hydroxyapatite Ca5(PO4)3(OH) (à l'origine du squelette).
Classe VIII : Silicates
Minéraux constitués de l'anion silicate (SiO44-), ce sont les minéraux les plus abondants de la croûte terrestre. Ils sont répartis en 6 sous-classes en fonction de leur charpente :
- Nésosilicates (tétraèdres isolés) : péridots dont les olivines [(Fe,Mg)2SiO4], silicates d'alumine (andalousite, disthène, sillimanite) (Al2SiO5), grenats, sphène, zircon, staurotide ...
- Sorosilicates (doubles tétraèdres) : épidote s.l., vésuvianite, ...
- Inosilicates (tétraèdres en chaînes simples ou doubles) : pyroxènes (chaîne simple) et amphiboles (chaîne double).
- Cyclosilicates (tétraèdres en cycle de 6) : tourmaline, béryl, cordiérite.
- Phyllosilicates (tétraèdres en feuillets 2D) : micas (biotite, muscovite), chlorite, talc, serpentine, lépidolite, ...
- Tectosilicates (tétraèdres en réseaux 3D) : quartz et variétés de silice (opale, agate), feldspaths (alcalins = orthose, sanidine, microcline ou plagioclases), feldspathoïdes (néphéline, leucite, sodalite),
Classe IX : Minéraux organiques (ambre, ...)
DÉTERMINER LES MINÉRAUX AU MICROSCOPE OPTIQUE POLARISANT
Le site de l'académie de Grenoble met à disposition une clé de détermination des minéraux interactive et intuitive. Les étapes successives permettent de prendre connaissance des différents critères de détermination microscopique. L'ensemble de ces critères est récapitulé dans une fiche d'identité du minéral une fois celui-ci identifié, accompagné de photographies (en LPA et LPNA) et d'informations apportées par la présence du minéral dans une roche.
Avant toute étude, il peut être judicieux de prendre connaissance du principe de fonctionnement du microscope optique polarisant.
QUELQUES MINÉRAUX
Photographies de quelques échantillons personnels, un agrégat d'aragonite (CaCO3, à gauche) et un agrégat de pyrite (FeS2, à droite).
(Échantillons et photographies : G. Nottet)
(Échantillons et photographies : G. Nottet)