Wikipédia:Sélection/Minéralogie

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Déodat Gratet de Dolomieu

Déodat Gratet de Dolomieu

Déodat Dieudonné Sylvain Guy Tancrède Gratet de Dolomieu (né le au château des Gratet de Dolomieu, et mort le au Château de Curbigny en Charolais, commune de Châteauneuf (en Saône-et-Loire) est un géologue et minéralogiste français.

À 25 ans, après avoir étudié à Metz où il est en garnison, il commence à travailler sur la pesanteur dans les mines de Bretagne. Il voyage ensuite au Portugal, à Malte, en Italie, où il étudie l’Etna, en Égypte. Il est aidé dans ses travaux de géologie par Nicolas de Saussure, qui analyse les échantillons qu’il a prélevés au cours de ses recherches. Dolomieu décrit ainsi plusieurs minéraux comme l’analcime, le psilomélane, le béryl, l’émeraude, la celestite et même l’anthracite.

En 1791, Dolomieu publie dans le Journal de physique un article intitulé « Sur un genre de pierres calcaires très peu effervescente avec les acides et phosphorescentes par la collision ». Il a découvert cette roche dans les Alpes et en envoie quelques échantillons à de Saussure à Genève pour analyse. C’est ce savant suisse qui tranchera en faveur du nom « dolomie », en hommage à son inventeur en mars 1792, dans un courrier qu’il adresse à Dolomieu. Le nom de « Dolomites » sera ensuite donné vers 1876 à la région des Alpes italiennes. En 1795, il est élu membre de l'Académie des sciences. Durant les troubles de la Terreur, qu’il décrit comme « une tempête affreuse, environnés d’écueils et de débris de naufrages », il se réfugie à La Roche-Guyon.

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François Ernest Mallard

François Ernest Mallard

François Ernest Mallard, né à Châteauneuf-sur-Cher le et mort à Paris le , est un cristallographe et minéralogiste français. Il est le continuateur avec Auguste Bravais du travail sur la cristallographie commencé par René Just Haüy et Jean-Baptiste Romé de L'Isle.

Il fait ses études à l'École Polytechnique (Promotion X1851) et à l'École nationale supérieure des mines de Paris, avant de commencer une carrière d'ingénieur en 1856. Professeur à l'École des Mineurs de Saint-Étienne en 1859, puis à l'École supérieure des Mines de Paris en 1872, il devient membre du conseil général des Mines et membre de l'Académie des sciences en 1890.

Après des travaux sur les « anomalies optiques », montrant qu'un cristal de symétrie supérieure pouvait n'être qu'un empilement régulier de réseaux de symétrie plus faible, il développe sa théorie des groupements cristallins et des corps pseudo-symétriques. En 1879, il publie le premier volume de son célèbre Traité de Cristallographie, bientôt complété d'un deuxième volume en 1884.

Outre ses recherches sur la cristallographie et la minéralogie et la réalisation de cartes géologiques, il effectue avec Henry Le Chatelier de nombreux travaux sur la combustion de mélanges gazeux explosifs en relation avec les problèmes de sécurité dans les mines.

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Auguste Bravais

Auguste Bravais

Auguste Bravais, né à Annonay le et mort au Chesnay le , est un astronome et physicien, minéralogiste et géologue français réputé pour ses travaux fondamentaux en cristallographie, en particulier les réseaux de Bravais et les lois de Bravais. Ce polytechnicien qui a choisi le service de la marine française, puis l'enseignement des mathématiques appliquées et de la physique, a laissé de remarquables observations de géophysique, sur l'atmosphère, sur les phénomènes optiques et sur la géologie des côtes et rivages avant de devenir membre de l'Institut en 1854.

Auguste fait ses études à Paris au collège Stanislas, puis entre à l'École Polytechnique en 1829. Il devient officier de marine et embarque sur le Finistère en 1832, puis sur le Loiret. Il collabore à des travaux d'hydrographie le long des côtes algériennes. Il participe à l'expédition de la Recherche, envoyée au Spitzberg et en Laponie au secours de la Lilloise.

Il professe un cours de mathématiques appliquées à l'astronomie à la Faculté des sciences de Lyon à partir de 1840 et succède à Victor Le Chevalier à la chaire de physique de l'École polytechnique entre 1845 et 1856, date à laquelle il est remplacé par Henri Hureau de Senarmont. Il publie un mémoire traitant de cristallographie en 1847.

Cofondateur de la Société météorologique française, il succède à Albin Reine Roussin à l'Académie des sciences en 1854.

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William Henry Bragg

Sir William Henry Bragg

Sir William Henry Bragg ( à Westward, Cumberland, Angleterre - à Londres) était un physicien et un chimiste britannique. Il a partagé avec son fils, William Lawrence Bragg, le prix Nobel de physique de 1915. Ils découvrirent ensemble la loi de Bragg, qui interprète le processus de la diffraction des radiations sur un cristal.

Il a enseigné à l'université d'Adélaïde en Australie (1886-1908), à l'université de Leeds (1909-1915) et à l'université de Londres (1915-1923). À partir de 1923, il a été professeur Fullerien de chimie à la Royal Institution et directeur du laboratoire de recherche Davy-Faraday. Il est devenu Fellow de la Royal Society en 1906 et a aussi été président de cette société de 1935 à 1940. Il est lauréat de la Médaille Rumford en 1916 et de la Médaille Franklin en 1930.

À Leeds depuis 1909, Bragg invente le spectromètre et, avec son fils William Lawrence, il fonde une nouvelle discipline : l'analyse par rayons X des structures cristallines. En 1915, le père et le fils sont conjointement récompensés par le prix Nobel de physique « pour leurs travaux d'analyse des structures cristallines à l'aide des rayons X ». Leur somme, X-Rays and Crystal Structure, publiée la même année atteint la cinquième édition dix ans plus tard.


Jean-Baptiste Romé de L'Isle

Jean-Baptiste Romé de L'Isle

Jean-Baptiste Louis Romé de L'Isle est un minéralogiste français considéré comme l'un des créateurs de la cristallographie moderne. Il nait à Gray (Haute-Saône) le 26 août 1736 et meurt à Paris le 7 mars 1790.

Jean-Baptiste participe comme officier à la guerre des Indes, est fait prisonnier par les Britanniques et est rapatrié en 1764 après cinq ans de captivité. Il s'intéresse à la chimie avec Sage, puis sa passion pour la minéralogie se développe et il établit les catalogues de plusieurs collections privées. Suivant les idées de Carl von Linné, il pense possible de classer les cristaux d'après leur forme extérieure, idée qui, à l'époque, suscitait de grandes oppositions.

Dans son Essai de Cristallographie de 1772, puis dans sa Cristallographie de 1783, il utilise des notions pertinentes de description, « formes primitives » et « troncatures. » Les mesures qu'il fait réaliser par Carangeot, auteur d'un goniomètre qui permet de mesurer précisément les angles dièdres des faces cristallines, l'amènent à énoncer sa loi de constance des angles. La cristallographie disposait dès lors d'un paramètre quantitatif, l'inclinaison respective des faces, à partir duquel les classifications, d'une part, et les théories de la structure d'autre part, allaient pouvoir se développer et se confronter à la réalité.

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René Just Haüy

René Just Haüy

L'abbé René Just Haüy, né le 28 février 1743 à Saint-Just-en-Chaussée dans l'Oise et mort le 3 juin 1822 à Paris, est un minéralogiste français, fondateur, avec Jean-Baptiste Romé de L'Isle de la cristallographie géométrique.

Après des études à Paris, il est ordonné prêtre en 1770. Il devient régent au collège du Cardinal Lemoine où il se lie d'amitié avec Charles Lhomond. Ce dernier lui ayant fait découvrir la botanique, ils fréquentent le Jardin des plantes, où Haüy suit les cours du naturaliste Daubenton. Haüy se consacre dès lors à la science et, après avoir communiqué à Daubenton certaines de ses découvertes sur la forme cristalline des minéraux, il est admis à l'Académie des sciences comme associé-botaniste, en 1783.

Haüy devient membre de la commission des poids et mesures (1793), puis professeur de physique à l'École normale de l'an III (1794), enfin conservateur des collections et professeur de cristallographie à l'École des mines (1795). Il entre à l'Institut de France la même année. Il enseigne la minéralogie au Muséum national d'histoire naturelle à partir de 1800. En 1808, il devient enseignant à l'École normale supérieure, puis obtiendra le titre de chanoine honoraire de Notre-Dame de Paris et la chaire de minéralogie (1809) à la faculté des sciences de Paris.

Haüy montra que la forme des cristaux résultait de l'empilement de petits volumes de matière qu'il nommait molécules intégrantes, et dont son élève, Gabriel Delafosse déduira la notion de maille en 1840. Grâce à ces travaux, Haüy parvient à définir l’espèce minérale.

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Georges Friedel

Georges Friedel

Georges Friedel, né à Mulhouse le 19 juillet 1865 et mort à Strasbourg le 11 décembre 1933, est un minéralogiste français.

Fils du chimiste Charles Friedel, il grandit dans un milieu scientifique qui le marque profondément. À sa sortie de l'École polytechnique (X1885), il fréquente l'École des Mines et les cours de François Ernest Mallard.

En 1893, il devient professeur à l'École nationale supérieure des mines de Saint-Étienne, à laquelle il s'attache et dont il devient le directeur. Il ne consent à la quitter que pour enseigner, après la Première Guerre mondiale, à l'université de Strasbourg, renouant ainsi avec le berceau alsacien de sa famille. La maladie l'oblige à une retraite prématurée en 1930.

L'activité scientifique de Friedel fut essentiellement minéralogique et cristallographique. Après Mallard, son maître, il adopta la théorie de Auguste Bravais et démontra la réalité physique de la loi qui porte son nom. Il a rassemblé ses travaux dans Les Groupements cristallins (1904) et dans ses Études sur la loi de Bravais (1907). Parallèlement, il entreprit l'étude générale des macles. Le troisième volet important de son œuvre, concernant les cristaux liquides, est intitulé Les États mésomorphes de la matière (1922).

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Biréfringence

Double réfraction observée à travers un cristal de calcite

La biréfringence est la propriété physique d'un matériau dans lequel la lumière se propage de façon anisotrope. Dans un milieu biréfringent, la vitesse de la lumière n'est pas unique, elle dépend des directions de propagation et de polarisation du rayon lumineux.

Un effet spectaculaire de la biréfringence est la double réfraction par laquelle un rayon lumineux pénétrant dans le cristal est divisé en deux. C'est pourquoi, sur la photographie ci-contre, l'inscription apparaît en double après avoir traversé le cristal de calcite. Ce phénomène est caractéristique des milieux biréfringents.

On attribue généralement au danois Rasmus Bartholin la découverte de la biréfringence du spath d'Islande. Ce minéral possède une biréfringence très forte qui permet des observations à l’œil nu, observations que Bartholin décrit dans son ouvrage « Experimenta crystalli Islandici » en 1670. En 1690, le physicien hollandais Christiaan Huygens suppose que pour l'une des images observées à travers le cristal, les rayons suivent un trajet ordinaire. Mais, pour la seconde image, le trajet des rayons n'obéit pas aux lois normales de la réfraction et il propose d'utiliser des ellipsoïdes comme surfaces d'ondes. Il découvre également que la double réfraction disparaît, lorsque les rayons réfractés dans le plan de section principale sont parallèles à la direction de l'axe optique du cristal.

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Polariseur

Lame mince de granodiorite vue sous microscope avec polariseurs croisés.

Un polariseur est un outil qui convertit la polarisation d'une onde lumineuse en un certain état de polarisation : la plupart des polariseurs permettent d'obtenir une lumière polarisée rectilignement dans une certaine direction. Dans ce cas, cette direction est appelée l'axe du polariseur.

Les polariseurs sont présents dans de nombreuses expériences d'optique et sont donc utilisés dans des instruments d'optique. Ils sont également utiles en photographie.

Certains polariseurs exploitent la biréfringence de certains matériaux comme le quartz, la calcite et le spath d'Islande. Ces cristaux ont la particularité de diviser un faisceau non polarisé en deux faisceaux polarisés différemment : il existe deux angles de réfraction, d'où le terme de biréfringence. On parle alors d'un rayon ordinaire, noté o, et d'un rayon extraordinaire, noté e.

Un des premiers polariseurs de ce type était le prisme de Nicol, constitué d'un cristal de calcite coupé en deux puis recollé avec du baume du Canada. Ce prisme produit une polarisation de très haute qualité et a été largement utilisé en microscopie bien qu'il ait été remplacé, dans les applications modernes, par d'autres outils comme le prisme de Glan-Thompson.

Les microscopes polarisants permettent de visualiser des objets de faible contraste. Cette technique permet de différencier, dans un minéral, différents cristaux de biréfringences différentes, qui apparaîtront avec une couleur et une luminosité différente.

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Microsonde de Castaing

Schéma de la microsonde de Castaing

La microsonde de Castaing (en anglais electron probe microanalyser, EPMA) est une méthode d'analyse élémentaire inventée en 1951 par Raimond Castaing. Elle consiste à bombarder un échantillon avec des électrons et à analyser le spectre des rayons X émis par l'échantillon sous cette sollicitation.

Lors du bombardement d'un échantillon, certains électrons cèdent une partie de leur énergie cinétique à l'atome, provoquant l'éjection d'un électron de l'atome ; l'atome est dit « excité ». Si l'électron éjecté est proche du cœur, un électron d'une couche périphérique va descendre vers une couche d'énergie plus faible (l'atome se désexcite), et ce faisant, il va émettre un photon. Du fait de l'énergie de transition, ce photon va appartenir au domaine des rayons X.

L'énergie h.ν du photon X, généré par la désexcitation de l'atome suite au départ d'un électron secondaire, est caractéristique des transitions électroniques de l'atome et donc de sa nature chimique. On parle de « raie d'émission caractéristique ». Pour distinguer les diverses raies émises par un atome, on utilise la notation de Siegbahn ; dans cette notation, la raie Kα1 désigne une transition du niveau L3 vers le niveau K.

Les éléments légers (faible numéro atomique Z) émettent des photons X de faible énergie, qui sont facilement absorbés par les autres atomes et notamment par la fenêtre en béryllium qui protège le détecteur. De plus, les éléments légers ont tendance à se désexciter en émettant un électron Auger plutôt qu'un photon X. Ces deux faits font que les intensités des raies émises par les éléments légers sont de faible intensité, leur détection et leur quantification sont de fait très difficiles.

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Diffractométrie de rayons X

Cliché de diffraction de la protéase virale 3CLpro cristallisée
Cliché de diffraction de la protéase virale 3CLpro cristallisée

La diffractométrie de rayons X est une méthode d'analyse physico-chimique. Elle ne fonctionne que sur la matière cristallisée (minéraux, métaux, céramiques, produits organiques cristallisés), mais pas sur la matière amorphe (liquides, polymères, verres) ; toutefois, la matière amorphe diffuse les rayons X, et elle peut être partiellement cristallisée, la technique peut donc se révéler utile dans ces cas-là. Par contre, elle permet de reconnaître des produits ayant la même composition chimique brute, mais une forme de cristallisation différente, par exemple de distinguer les différentes silices (quartz, cristobalite…), les différents aciers (acier ferritique, austénite…) ou les différentes alumines (corindon/alumine α, γ, δ, θ…).

Les rayons X, comme toutes les ondes électromagnétiques, provoquent un déplacement du nuage électronique par rapport au noyau dans les atomes. Ces oscillations induites provoquent une réémission d'ondes électromagnétiques de même fréquence : ce phénomène est appelé diffusion Rayleigh. La longueur d'onde des rayons X étant de l'ordre de grandeur des distances interatomiques (quelques angström), les interférences des rayons diffusés vont être alternativement constructives ou destructives. Selon la direction de l'espace, on va donc avoir un flux important de photons X, ou au contraire très faible ; ces variations selon les directions forment le phénomène de diffraction des rayons X. Ce phénomène a été découvert par Max von Laue et longuement étudié par sir William Henry Bragg et son fils sir William Lawrence Bragg.


Indices de Miller

Indices de Miller d'un plan : définition

Les indices de Miller sont une manière de désigner les plans dans un cristal. On utilise des indices similaires pour désigner les directions dans un cristal, les indices de direction.

Un cristal est un empilement ordonné d'atomes, d'ions ou de molécules, appelés ci-après « motifs ». La périodicité du motif est exprimée par un réseau constitué de nœuds qui représentent les sommets de la maille. Les arêtes de la maille conventionnelle définissent les vecteurs de la base. Les plans et directions sont qualifiés de « nodaux » (plan nodal, direction nodale) ou mieux encore « réticulaires ». Une direction réticulaire est dite rangée.

En métallurgie, on travaille fréquemment avec des cristaux constitués d'un seul type d'atomes ; on parle donc de « plan atomique », de « direction atomique » ou de « rangée d'atomes », mais ce ne sont que des cas particuliers.

Le cristal n'est pas isotrope, il n'y a pas de raison que ses propriétés le soient. Les lignes et plans de grande densité vont présenter des propriétés particulières : en optique, la vitesse de propagation de la lumière peut différer selon la direction, provoquant la biréfringence ; plan de clivage : la surface libre est plus stable si elle correspond à un plan de grande densité ; adsorption et réactivité : le nombre de sites d'adsorption, et donc la réactivité chimique, dépend de la densité d'atomes ; dislocations : les glissements se font préférentiellement selon des plans denses, etc.


Échelle de Mohs

Échelle de Mohs

L'échelle de dureté de Mohs fut inventée en 1812 par le minéralogiste allemand Friedrich Mohs afin de mesurer la dureté des minéraux. Elle est basée sur dix minéraux facilement disponibles.

Comme c'est une échelle ordinale, on doit procéder par comparaison (capacité de l'un à rayer l'autre) avec deux autres minéraux dont on connaît déjà la dureté. Cette échelle n'est ni linéaire ni logarithmique.

Les dix minéraux de l'échelle de Mohs sont 1 (talc), 2 (gypse), 3 (calcite), 4 (fluorine), 5 (apatite), 6 (orthose), 7 (quartz), 8 (topaze), 9 (corindon) et 10 (diamant).

Il existe aussi une échelle comportant 15 classes, destinée à remédier au manque de régularité de l'échelle de Mohs. Il existe plusieurs échelles de dureté expérimentales dont les degrés sont déterminés expérimentalement par indentation (au moyen d'un poinçon de diamant de forme déterminée). On pourra citer par exemple l'échelle de Knoop, l'échelle de Brinell, l'échelle de Rockwelletc. qui sont appliquées en fonction des matériaux étudiés. Il existe enfin des classifications absolues en fonction de paramètres physiques précis (module de compressibilité ou module de cisaillement).

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Transformation topotactique

Transformation topotactique

En général lors d’une réaction chimique il y a destruction du composé initial, puis reconstruction, à partir des éléments simples obtenus, du composé final. C’est le cas des réactions se produisant en milieu aqueux mettant en jeu la réaction de dissolution de la phase initiale suivie de la réaction de précipitation de la phase nouvelle.

Lorsque les structures cristallines des deux composés présentent une similitude, le passage d’une structure à l’autre peut se faire sans qu’il y ait un bouleversement notable. Les déplacements des atomes sont faibles et ne requièrent pas une énergie considérable. Dans ce cas la transformation peut avoir lieu dans l’état solide à basses températures (chimie douce). Il existe alors des relations simples entre les axes cristallographiques des deux structures. On appelle une telle transformation topotactique.

De nombreuses réactions présentent cette propriété. Notamment les réactions d’intercalation mises en jeu dans les réactions électrochimiques se produisant dans les accumulateurs, mais aussi de nombreuses réactions mettant en jeu des minéraux naturels.

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Isomorphisme

Forstérite (Mg2SiO4), isomorphe de la fayalite (Fe2SiO4)

En chimie du solide, l'isomorphisme ou isomorphotropie est la faculté de composés différents de cristalliser avec des mailles de même symétrie et dont les paramètres sont proches, ce qui leur permet de former des cristaux mixtes. Dans le cas des minéraux, une substitution isomorphe peut concerner le remplacement d'un cation par un autre de charge différente.

La loi de l'isomorphisme fut découverte par Eilhard Mitscherlich en 1819. Ses investigations, en 1826, sur les deux formes cristallines du soufre le conduisent à constater, par analogie, que la calcite et l’aragonite ont la même formule chimique, pas la même forme cristalline, et donc qu’il s’agit de polymorphisme  : c’est le nom qu’il donne à cette propriété de certains cristaux.

L’isomorphisme est classé en quatre espèces :

  • les deux composés ont une formule chimique très proche, le même nombre d'atomes et la même valence entre atomes correspondants ;
  • les ions ont un rayon ionique proche mais une valence qui diffère d'une unité. La neutralité électrique est obtenue par remplacements couplés ;
  • la variation de la charge d'une position atomique suite au remplacement d'un ion par un autre est compensée par un deuxième remplacement mobilisant des ions de charge opposée ;
  • remplacement couplé ion - lacune.

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Polychroïsme

Dichroïsme de la cordiérite

Le polychroïsme (à ne pas confondre avec le pléochroïsme) est la propriété d'un cristal ou d'un minéral translucide anisotrope, éclairé en lumière non polarisée, d'apparaître diversement coloré selon l'angle sous lequel on l'observe par transparence. Un minéral polychroïque est obligatoirement pléochroïque mais l'inverse n'est pas vrai. Parmi les bons exemples de minéraux très polychroïques on trouve : la cordiérite (autrefois appelée « dichroïte ») ainsi que la zoïsite et la titanite.

Dans un cristal optiquement anisotrope, le coefficient d'absorption varie généralement avec la direction du rayon lumineux transmis. S'il en est ainsi, le cristal éclairé en lumière polarisée apparaît diversement coloré ou, tout au moins, diversement lumineux suivant la direction du rayon lumineux incident. On dit alors que le cristal est pléochroïque.

Le pléochroïsme est un phénomène aussi général que la biréfringence, mais comme celle-ci il ne peut se manifester que dans les matériaux anisotropes, possédant deux (matériaux uniaxes) ou trois (matériaux biaxes) indices de réfraction différents. Ces indices de réfraction dépendent de la symétrie cristalline du matériau. Ainsi, lorsqu'un matériau anisotrope placé sous un microscope est illuminé par une lumière polarisée non analysée, il absorbe certaines longueurs d'onde de manière sélective, en fonction de son orientation par rapport à la polarisation de la lumière : la couleur du matériau change lorsqu'on le fait tourner. Les cristaux cubiques, qui sont optiquement isotropes, ne présentent pas de polychroïsme.

Le pléochroïsme est un phénomène très utilisé pour identifier certains minéraux.

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Cristaux liquides

Transition de phase smectique-nématique d'un cristal liquide

Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase ou état mésomorphe (du grec « de forme intermédiaire »). La nature de la mésophase diffère suivant la nature et la structure du mésogène, molécule à l'origine de la mésophase, ainsi que des conditions de température, de pression et de concentration.

En 1888, le botaniste autrichien Friedrich Reinitzer travaille à l'université de Prague sur le benzoate de cholestéryle. Il veut en déterminer la formule et le poids moléculaire. En utilisant le point de fusion comme un indicateur important de la pureté de la substance, il observe l'existence de deux points de fusion et l'évolution de la substance en un liquide trouble puis coloré et enfin transparent. Il découvre ainsi un comportement étrange (existence de deux points de fusion, réflexion de la lumière polarisée circulairement et capacité à faire tourner le plan de polarisation de la lumière) dont il fait part à Lehmann.

Lehmann réalise qu'il s'agit là d'un nouveau phénomène. Il entame une étude systématique du benzoate de cholestéryle et de composés apparentés possédant le phénomène de double point de fusion. Avec son microscope, il est non seulement en mesure d'effectuer des observations en lumière polarisée, mais aussi d'effectuer des observations à haute température. L'article de Lehmann intitulé « Uber Fliessende Krystalle » paru le 30 août 1889 à Zeitschrift fur Physikalische Chemie est la première publication introduisant le concept de « cristal liquide ».


Polymorphisme

Calcite CaCO3, polymorphe de l'aragonite et de la vatérite

En chimie, le polymorphisme est la faculté que possède une substance de cristalliser dans des structures différentes selon les conditions ambiantes. Lorsque la substance est formée d'un seul élément, on lui préfère le terme d'allotropie.

Généralement, chaque structure existe dans une région précise de température et de pression : son « champ de stabilité ». Si les paramètres évoluent hors de cette région, elle se transforme en une structure différente par transition de phase, soit par rupture et formation de liaisons chimiques (« transition reconstructive »), soit par simple déformation (« transition displacive »).

Un cas particulier de polymorphisme est celui du polytypisme, où les différentes structures sont formées par empilement d'un module (dans la plupart des cas, une couche ou un feuillet) de structure et composition (presque) identique. Les polytypes diffèrent par le mode d'empilement du module le long d'une direction : les deux paramètres de maille dans le plan du module sont communs à tous les polytypes, alors que le troisième diffère. Les polytypes sont distingués par des symboles spécifiques. Les symboles les plus employés sont ceux de Ramsdell, qui associent le nombre de couches dans la période du polytype au symbole correspondant au système cristallin ou réticulaire.


Polysomatisme

Bloc de talc

Le polysomatisme concerne des familles de structures qui peuvent être décrites comme formées par la juxtaposition d'au moins deux modules de structure et composition différentes.

Soient P et Q ces modules, on peut envisager une série polysomatique entre les membres purs P∞ et Q∞. Exemples : PQ, PQQ, PPQQ, PPPQQ, etc.

La série polysomatique la plus connue est celle des biopyriboles MnPm, où :

Le nom « biopyribole » vient de biotite, pyroxène et amphibole.

Le mérotypisme est un phénomène plus général car un module est constant et le deuxième variable. Exemple : le talc avec la brucite ou la gibbsite ou encore du magnésium hydraté ce qui donne les vermiculites.

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Trapiche

Émeraude

Une gemme est dite trapiche lorsque l'on voit des figures de plus forte concentration en éléments chimiques dans la pierre. S'il s'agit d'une émeraude (système cristallin hexagonal) on observe un hexagone, s'il s'agit d'un corindon ou d'une tourmaline (trigonaux) on observe des triangles.

Exemple de l'émeraude
Ce phénomène est dû à un enrichissement temporaire du milieu en éléments, comme par exemple le chrome pour l'émeraude. Malgré son allure, l’émeraude trapiche n’est pas maclée mais monocristalline. Elle se présente comme constituée d’un noyau central entouré de six « rayons » qui se sont développés parallèlement aux faces {100} du prisme. Les échantillons les plus marquants proviennent de la mine Gachalá près de Chivor, située au centre de la Colombie.

La cristallisation s'effectue en deux phases :

  • phase 1 : la cristallisation du prisme central se produit, puis s'enrichit en albite qui cristallise sous la forme de fins cristaux mélangés au béryl ; il se forme un eutectique qui se poursuit tant qu'il existe une arrivée de fluides. Une interruption crée une croûte sur les faces du prisme initial ;
  • phase 2 : la cristallisation reprend lors d'un nouvel apport de fluide et se fait parallèlement aux faces du prisme initial. L'eutectique choisit les arêtes du prisme, seuls sites de croissance disponibles. Il faut que les eaux-mères soient saturées d'albite pour la poursuite de la croissance.

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Pseudomorphose

Calcite en pseudomorphose de glauberite

La pseudomorphose est le phénomène par lequel un minéral se présente avec l'apparence d'un autre minéral : par exemple, la pyrite s'altérant en limonite tout en conservant l'apparence de la pyrite.

Dans la plupart des cas de pseudomorphose il s'agit d'un phénomène lié à la diagenèse. Les processus peuvent être différents et l'intervention d'êtres vivants (bactéries par exemple) peut être très importante à côté des processus de dissolution et de recristallisation. Les eaux d'infiltration des sédiments émergés dissolvent les composés solubles (calcite, pyrite ou silice) et les entraînent de la surface jusqu'à une certaine profondeur où ils reprécipitent.

  • L'épigénisation est l'apparition d'un nouveau minéral ou la recristallisation d'un minéral existant, postérieurement au dépôt.
  • On parle de pseudomorphose si la forme du premier minéral est conservée.
  • On parle de métasomatose quand ces remplacements se font sous des conditions de températures et de pressions plus ou moins élevées, toujours sans modification de la forme du cristal, mais au profit de minéraux plus stables, par exemple : pyritisation, dolomitisation, silicification ou opalisation.
  • La périmorphose est très différente mais souvent confondue avec la pseudomorphose. Dans ce cas le minéral moule le minéral sous jasent qui peut disparaître et laisse son emprunte en creux.

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Anatexie

L'anatexie est la fusion partielle des roches dans la croûte terrestre.

Les roches métamorphiques peuvent être enfouies à des conditions de température et de pression suffisantes pour initier la fusion d'une partie des minéraux constituants. La roche partiellement fondue se transforme en migmatite. Les migmatites, également appelées anatexites, sont fréquentes dans les zones de racine des montagnes érodées.

Si la fusion est plus importante, voire totale, les produits de la fusion partielle peuvent se rassembler pour former un magma et, si celui-ci est de nature granitique, on obtiendra un granite d'anatexie après refroidissement.

Le début de la fusion dépend de nombreux facteurs, en particulier du chimisme des roches en présence, de la pression totale et de la présence et de la quantité de vapeur d'eau (baisse du PF).

L'ordre de fusion des roches est, en principe, l'inverse de l'ordre de la cristallisation fractionnée et des suites réactionnelles.

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Éclogite

Éclogite de la Compointrie, Loire-Atlantique (France) : détail

Une éclogite (du grec eklogê, choix) est une roche métamorphique qui s'est formée dans le faciès éclogitique, c'est-à-dire ayant subi les conditions de pression et température de ce champ.

Historiquement, Eskola a défini les faciès métamorphiques sur des roches issues de protolithes basiques (la roche avant d'être métamorphisée contenait moins de 53 % de silice et était riche en ferro-magnésiens). Initialement, le nom d'éclogite était réservé à une roche de nature basique. Mais, par abus de langage, on emploie le terme d'éclogite pour le faciès éclogitique et donc une éclogite peut être acide (plus de 53 % de silice) ou basique.

Une éclogite basique est composée d'omphacite et de grenat (mélange d'almandin, de grossulaire et de pyrope). L'omphacite est une solution solide entre les deux pôles suivants : la jadéite, clinopyroxène sodique et le diopside, clinopyroxène calcique. Une éclogite acide est composée de grenat, mica blanc assez fréquent (phengite, paragonite). Il peut comporter aussi du talc.

Une roche métamorphique passe par différentes conditions P,T (pression, température) au cours de sa formation. Pendant l'enfouissement ou chemin prograde, les conditions P,T augmentent. Puis elle atteint son maximum métamorphique (ici, stade éclogite). Enfin, lors de l'exhumation, elle suit un chemin rétrograde où les conditions P,T diminuent (ici, présence d'amphibole).

Les éclogites sont caractéristiques d'un gradient métamorphique haute pression, basse température. Leur présence indique une zone de subduction ou d'une paléo-subduction. On les retrouve en général dans les zones à schiste bleu.

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Épitaxie

Un wafer en silicium gravé

L'épitaxie est une technique de croissance orientée, l'un par rapport à l'autre, de deux cristaux possédant un certain nombre d'éléments de symétrie communs dans leurs réseaux cristallins. On distingue l'homo-épitaxie, qui consiste à faire croître un cristal sur un cristal de nature chimique identique, et l'hétéro-épitaxie, dans laquelle les deux cristaux sont de natures chimiques différentes.

L'épitaxie est utilisée pour faire croître des couches minces (quelques nanomètres d'épaisseur). On utilise pour cela une surface parfaitement polie d'un monocristal, le substrat, sur lequel seront déposés d'autres atomes. Le substrat est choisi de façon à avoir des paramètres de maille proches de ceux du cristal que l'on veut obtenir.

L'épitaxie en phase liquide utilise le principe de la méthode de Czochralski. Le substrat est mis en contact avec une phase liquide sursaturée en l'élément voulu, qui se précipite et cristallise sur le substrat. Cette technique a l'avantage d'être rapide, mais elle est moins précise que les épitaxies en phase vapeur.

L'épitaxie par jet moléculaire s'effectue sous ultra vide. Les éléments à déposer, contenus dans des creusets à haute température, sont évaporés et vont se déposer par transport thermique sur la surface du substrat, plus froide mais de température quand même assez élevée pour permettre le déplacement et le réarrangement des atomes.

Les applications de l'épitaxie sont multiples : jonctions semi-conductrices, wafers pour la micro-électronique, Silicon On Insulator...


Radiolarite

Radiolaires

Une radiolarite est une roche sédimentaire à grains fins peu visible à l'œil nu, présentant une alternance de bancs foncés/ bancs clairs. C'est la source d'une partie des jaspes. Elle est composée essentiellement de coques siliceuses de radiolaire, protozoaire planctonique actinopode vivant dans les mers chaudes. La couleur rouge est due à la présence de fer ferrique Fe3+. Parfois le fer est sous forme ferreuse Fe2+, ce qui donne à la roche une couleur verte.

Pour former de la radiolarite, les coques de radiolaire doivent être préservées. Si l'on observe une courbe représentant la dissolution de la silice en fonction de la profondeur, on s'aperçoit que le taux de dissolution est très élevé à la surface alors qu'il est quasi nul en profondeur. Or les radiolaires vivent dans la couche d'eau superficielle des océans et leurs coques devraient être dissoutes à leur mort. Puisque certaines coques ne sont pas dissoutes, il existe au moins un mécanisme les protégeant de la dissolution lors de leur passage dans la couche superficielle : les radiolaires font partie des réseaux trophiques. Lorsqu'un prédateur mange un radiolaire, il rejette la coque dans ses pelotes fécales. La coque emprisonnée dans la matière organique des pelotes n'est plus en contact avec l'eau de mer et ne peut être dissoute. Ensuite, la coque rejoint les couches d'eau plus profondes où il n'y a plus de dissolution, les traverse et tombe sur le fond de l'océan où elle va sédimenter.

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Ardoise

Partie d'un toit en ardoise.

L'ardoise est une roche métamorphique qui s'est formée dans de fortes conditions de pression et de température. Elle appartient à la famille des schistes dont elle se distingue par la qualité de son grain, très fin, et sa fissilité. Ces propriétés font qu'on peut l'utiliser comme matériau de couverture.

L'ardoise est résistante et sa couleur peut varier du blanc au noir, en passant par toutes sortes de gris, de rouges sombres et de verts. Comme matériau de couverture, l'ardoise peut être droite (rectangulaire) ou en forme d'écaille. Son épaisseur varie de 3 mm à 9 mm. Entre 20 mm et 40 mm, il s'agit de lauze, autre schiste plus massif et moins plissé. La pose à l'ancienne est la pose au clou, fin XIXe siècle apparaît la pose sur crochet (l'ardoise est simplement appuyée en pied).

La durée de vie d'une ardoise est de 70 ans à 300 ans. La qualité du gisement, le type d'extraction (machine ou main) et bien sûr l'épaisseur, le type de pose (sur crochet ou cloutée), le pureau, ont une incidence sur cette durée. Les ardoises de mauvaise qualité sont sujettes à la rouille. Ce défaut provient de la présence de minerai de fer (la forme la plus connue est celle de la pyrite, mais on rencontre également des grenats, de la magnétite) contenu dans certaines veines du gisement ou dispersée.

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Bauxite

Bauxite

La bauxite est une roche latéritique blanche, rouge ou grise, caractérisée par sa forte teneur en alumine Al2O3 et en oxydes de fer. Cette roche constitue le principal minerai permettant la production d'aluminium.

Elle se forme par altération continentale en climat chaud et humide. De structure variée, elle contient dans des proportions variables des hydrates d'alumine, de la kaolinite, de la silice et des oxydes de fer qui lui confèrent souvent une coloration rouge.

Ses minéraux spécifiques sont les hydrates d'alumine comme les polymorphes de Al(OH)3 (bayérite et gibbsite, monocliniques) et ceux de AlO(OH) (diaspore et boehmite, orthorhombiques). Cette altérite n'est considérée comme minerai d'aluminium que si sa teneur en silice totale ne franchit pas un seuil variable selon les coûts du procédé d'extraction de l'alumine (procédé Bayer), puis de la transformation de l'alumine en aluminium par électrolyse. En règle générale, ces teneurs limites en silice ne dépassent pas 8 % et en aucun cas ne peuvent dépasser 15 %, valeur pour laquelle les hydrates d'alumine sont instables au profit de la kaolinite. Par démantèlement, cette roche résiduelle donne naissance à diverses autres roches de type sédimentaire que ce soit en milieu marin ou continental, voire souterrain par soutirage dans leur substrat carbonaté par dissolution de ce dernier (aramonite).

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Calcaire

Les calcaires sont des roches sédimentaires, troisièmes par ordre d'abondance après les schistes et les grès, facilement solubles dans l'eau, composées majoritairement de carbonate de calcium CaCO3 mais aussi de carbonate de magnésium MgCO3. Ils se forment par accumulation, au fond des mers, à partir des coquillages et squelettes des microalgues et animaux marins. C'est en France, en Suisse et en Belgique la roche la plus courante qui compose autant des montagnes (Alpes, Jura, Pyrénées) que des plaines (Champagne), bassins (Bassin parisien) ou des plateaux (Ardenne). Le calcaire est reconnaissable par sa teinte blanche et généralement la présence de fossiles. Il est la base de nombreux matériaux.

  • La craie est une roche calcaire formée par une accumulation de squelettes calcaires des microalgues et animaux marins dans la zone de suintement pélagique.
  • Le tuffeau est de la craie micacée ou sableuse à grain fin, de couleur blanche ou crème parfois jaunâtre, contenant quelques paillettes de mica blanc (muscovite).
  • La calcite est le polymorphe d'origine secondairement géologique du carbonate de calcium. Le polymorphe d'origine primairement biogénique est l'aragonite.

Selon le type de calcaire, celui-ci est plus ou moins résistant et plus ou moins soluble dans les eaux acides. Ces phénomènes de dissolution des calcaires, via circulation des fluides dans les diverses fractures et cassures, sont appelés phénomènes karstiques (grottes, dolines, pertes, aven, etc.). Le calcaire ainsi dissout peut se reprécipiter sous forme de stalactites et stalagmites dans les grottes.

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Cinabre

Cinabre sur dolomite, Hunan, Chine

Le cinabre est une espèce minérale composée de sulfure de mercure de formule HgS. Il a été décrit pour la première fois par Théophraste en 315 av. J.-C.. On distingue trois formes cristallines : le cinabre trigonal (α-HgS, rouge), le métacinabre cubique (noir) et l’hypercinabre (γ-HgS).

Le cinabre est le minerai de mercure le plus répandu et exploité. Lors des derniers millénaires, le cinabre natif présent dans les gisements a été utilisé soit comme pigment, après extraction dans une veine pure, soit pour en extraire le mercure par décomposition thermique.

Vers 500 av. J.-C., l’or et le cinabre sont chauffés ensemble pour créer un amalgame. Le cinabre délivrait alors le mercure en se décomposant avec la chaleur. On ne connaissait pas d'autre mode opératoire pour créer le « rouge-or ». L'assombrissement, jusqu'à devenir gris-noir, de la couleur écarlate du cinabre sous l'influence de l'irradiation solaire constitue une importante problématique de conservation des peintures murales depuis l'antiquité. Actuellement, le noircissement des fresques de la villa des Mystères à Pompéi en est la parfaite illustration.

Le cinabre a également été utilisé en médecine, pour le traitement de la syphilis, ou on le prescrivait, dans les années 1820, aux femmes enceintes, par fumigation. Sous forme de pommade, il était utilisé contre les maladies cutanées.

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Cristal

Neige

Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide dont le diffractogramme est essentiellement discret est un cristal. Sur la base d'une propriété structurelle essentielle, cette définition englobe les cristaux classiques mais aussi les quasi-cristaux. Les propriétés des cristaux s'expliquent par leur composition atomique et l'arrangement spatial des atomes.

Les cristaux les plus communs sont la neige, le sucre, les sels, les silicates, les oxydes, les sulfures, les métaux et les pierres précieuses (gemmes). Ainsi, traditionnellement, le cristal est un solide polyédrique, plus ou moins brillant, à structure régulière et périodique, formée d'un empilement ordonné d'un grand nombre d'atomes, de molécules ou d'ions.

On appelle phénocristal un cristal de taille exceptionnelle, mais la plupart des cristaux qu'on observe sont composés de plusieurs cristaux accolés (ou cristallites). Dans le premier cas on parle de « monocristal » et dans le second de « polycristal ».

Un cristal idéal ne comporte pas de défauts cristallins, mais les cristaux réels sont loin de cette perfection. Au-delà d'une certaine concentration des défauts, le concept de structure cristalline cesse d'être utile et l'on considère que c'est un matériau amorphe tel que le verre. L'état amorphe s'apparente fortement à l'état liquide mais il existe aussi des cristaux liquides.

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Feldspath

Plagioclase

Un feldspath est un minéral à base de silicate double d'aluminium, de potassium, de sodium ou de calcium. Les feldspaths sont de la famille des tectosilicates. Il existe de nombreux feldspaths, dont les principaux sont l'orthoclase (potassique), l'albite (sodique) et l'anorthite (calcique). Le mélange de ces deux derniers donne la série des plagioclases.

On peut distinguer les feldspaths alcalins, souvent translucides, blanchâtres ou roses et riches en alcalins (Na+, K+), des plagioclases qui diffèrent des précédents par la présence de calcium (Ca2+) et l'absence de potassium (K+).

Les feldspaths forment le plus important groupe de minéraux de la croûte terrestre. Ils sont hautement cristallisés et ont la propriété de former des macles et de rayer le verre. En combinaison avec d'autres minéraux, les feldspaths potassiques (ou alcalins ou orthoses) composent des roches plutôt acides, telles les syénites et les granites (grenues) ou les trachytes et les rhyolites (microlithiques). Les feldspaths plagioclases composent quant à eux, pour ce qui concerne les roches grenues, les diorites, les gabbros, plus rarement les tonalites et parfois les syénites. Lorsque l'on en retrouve dans les roches microlithiques, il s'agit la plupart du temps d'andésites ou de basaltes.

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Granite

Granite

Le granite est une roche magmatique plutonique à texture grenue, c'est-à-dire entièrement cristallisée et composée de minéraux bien développés et visibles à l'œil nu. Celle-ci est le résultat du refroidissement lent, en profondeur, de grandes masses de magma qui formeront des plutons, ces derniers étant actuellement en surface grâce au jeu de l'érosion qui a décapé les roches sus-jacentes. Ces magmas, acides (c'est-à-dire relativement riches en silice) sont essentiellement le résultat de la fusion partielle de la croûte terrestre continentale. Certains granites (plagiogranites) rencontrés en petits plutons dans la croûte océanique sont, quant à eux, le résultat de la différentiation ultime de magmas basiques. Les granites sont formés de minéraux en grains (cristaux), tous visibles à l'œil nu ; cette apparence leur vaut leur nom dérivé du latin granum, grain. Ces minéraux sont principalement du quartz, des micas (biotite et/ou muscovite), des feldspaths potassiques (orthoses) et des plagioclases. Ils peuvent contenir également de la hornblende, de la magnétite, du grenat, du zircon et de l'apatite. En tout, on dénombre aujourd'hui plus de 500 couleurs de granites différentes.

Le granite et ses roches associées forment l'essentiel de la croûte continentale de la planète. Les plus gros monolithes granitiques du monde se trouvent dans le parc national de Yosemite, en Californie.

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Houille

Houille

La houille est une roche carbonée sédimentaire correspondant à une qualité spécifique de charbon, intermédiaire entre la lignite et l'anthracite (soit 80 à 90 % de carbone). De couleur noirâtre, elle provient de la carbonisation d'organismes végétaux et peut donc servir de combustible fossile. Ce combustible est utilisé depuis le XIe siècle et son extraction dans les mines a rendu possible la révolution industrielle au XIXe siècle.

La houille est surtout utilisée actuellement :

  • dans les centrales thermiques utilisées pour la production d'électricité ou le chauffage urbain ;
  • dans la sidérurgie, essentiellement pour la fabrication du coke utilisé dans les hauts-fourneaux; entre 600 et 700 kg de charbon sont nécessaires pour produire une tonne d'acier ;
  • le chauffage individuel au charbon est en recul par rapport à d'autres sources d'énergie.

L'utilisation du charbon dans les centrales thermiques est très importante ; ces centrales fournissent 40 % de la production mondiale d'électricité, la moitié aux États-Unis et en Allemagne.

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Kaolinisation

Falaise de Pénestin, Bretagne : kaolinisation des dépôts fluviatiles dans la partie sud de la falaise. Le kaolin apparaît en blanc sur la photo.

La kaolinisation est l'altération d'une roche dont le résultat est le kaolin.

Le substratum de cette falaise de Pénestin (dans l'image ci-contre) est constitué de micaschistes chloriteux sains, plissés et à foliation métamorphique. Vers le sud de la falaise, les produits d'altération sont plus fréquents et riches en kaolinite et en quartz résiduel :

  • isaltérites (structure originelle conservée) ;
  • allotérites (structure originelle disparue).

Ces argiles riches en kaolinite et en quartz résiduel, blancs, gris ou ocres, sont apparus en Bretagne sous des climats chauds et humides (hydrolyse) à saisons contrastées (fin du Crétacé et début du Tertiaire : Yprésien à Lutétien).

De grands profils d'altération de type latéritique avec de grandes quantités de kaolinite s'y sont développés.

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Macle

Macle par pénétration de trois cristaux de pyrite

Une macle est une association orientée de deux ou plusieurs cristaux identiques, dits individus, reliés par une opération de groupe ponctuel de symétrie.

L'opération qui transforme l'orientation d'un individu d'une macle en celle d'un autre individu est dite opération de macle. Celle-ci est effectuée autour d'un élément géométrique du réseau de la macle, qui est dit élément de macle : les individus de la macle sont alors symétriques par rapport à l'élément de macle. Les macles sont ainsi classées en trois catégories :

  • macle par réflexion, lorsque l'élément de macle est un plan réticulaire (plan de macle) ;
  • macle par rotation, lorsque l'élément de macle est une rangée (axe de macle) ;
  • macle par inversion, lorsque l'élément de macle est un point.

On peut aussi classer les macles

  • selon leur origine : macles de croissance, dans les premières étapes ou par accolement tardif de cristaux ; macles de transformation, qui se forment suite à une transition de phase ; ou encore macles mécaniques, qui se forment suite, notamment, à une pression ;
  • selon leur morphologie, selon que les individus sont séparés par une surface (macles par contact), ou avoir un volume en commun (macles par pénétration).

Parmi les macles les plus connues, on peut citer : les macles de Carlsbad, dans les feldspaths ; les macles du Dauphiné, du Brésil et de la Gardette dans le quartz ; les macles à croix dans la staurotide...

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Silicates

Tourmaline de la mine Otjua en Namibie

Un silicate est un sel dérivant de la silice (SiO2). En chimie, ce sont des composés chimiques. En minéralogie, les silicates désignent une importante famille de minéraux.

Les silicates constituent 97 % de la croûte terrestre. Il en existe de nombreuses familles  :

Les silicates sont des minéraux dont le squelette est essentiellement formé par des tétraèdres de silicium et d'oxygène additionnés d’aluminium, magnésium, fer, calcium, potassium, sodium et autres éléments. Ils peuvent être classés selon plusieurs critères, mais les deux classifications les plus employées en minéralogie sont basées sur l’enchaînement des tétraèdres :

  • la classification topochimique (classification de Machatski-Bragg) est basée sur l’enchaînement des tétraèdres, dans lesquels le silicium et l’aluminium peuvent donner lieu à une substitution isomorphe ; les tétraèdres où seul l’aluminium est présent sont considérés hétéro-tétraèdres ;
  • la classification topologique (classification de Zoltai) est basée sur l’enchaînement des tétraèdres centrés par n’importe quel cation.

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Cookéite

Cookéite sur quartz, Paris, Maine, gisement topotype.

La cookéite est une espèce minérale du groupe des silicates et du sous-groupe des phyllosilicates, de la famille des chlorites, de formule LiAl4(Si3Al)O10(OH)8. Ce minéral tendre et peu dense, de couleur variable, a une structure cristalline formée d'un empilement alterné de couches LiAl2(OH)6 et Al2O4(OH)2Si8O12 et présente plusieurs polytypes. La cookéite est souvent trouvée comme produit d'altération hydrothermale de silicates dans les pegmatites. Elle se forme à température relativement basse (moins de 200 °C) et à pression variable.