Un minéral se forme lorsqu’un ensemble d’atomes ou d’ions parvient à s’organiser de manière stable et répétitive dans l’espace. Cette stabilité est obtenue grâce à des liaisons chimiques (principalement ioniques et covalentes) qui minimisent l’énergie totale du système. Pour qu’un minéral apparaisse, il faut donc : La présence des bons éléments chimiques, une concentration suffisante de ces éléments, des conditions de températures et de pression qui permettent aux atomes de se lier facilement, un temps stable suffisement longtemps pour l'aisser l'organisation se produire. On y reconnait plusieurs types de formations toutes différentes.
La cristallisation magmatique
Le magma est un liquide très chaud (600 à 1200 °C) riche en éléments libres : Si, O, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K principalement. Quand il refroidit lentement (intrusions profondes) ou rapidement (éruptions), les premiers minéraux qui atteignent leur point de saturation commencent à cristalliser spontanément en formant des masses.
Exemple typique : le premier minéral qui cristallise dans la plupart des magmas basiques est l’olivine (Mg,Fe2SiO4, car elle est très stable à haute température. Puis viennent le pyroxène, le plagioclase, etc. C’est le principe de la série de réaction de Bowen : les minéraux se forment dans un ordre prévisible selon la température décroissante.
La réaction de Bowen (ou série de réaction de Bowen) est une séquence prévisible de cristallisation des minéraux à partir d’un magma qui refroidit progressivement. Elle se divise en deux branches principales :
- La branche discontinue (côté ferromagnésien) : les minéraux riches en fer et magnésium se forment les uns après les autres en réagissant avec le liquide restant. Ça commence par l’olivine (à très haute température), puis l’olivine réagit avec le magma pour donner du pyroxène, le pyroxène donne de l’amphibole, et l’amphibole donne enfin du mica (biotite).
- La branche continue (côté plagioclase) : les feldspaths plagioclases passent progressivement d’un composition riche en calcium (anorthite, haute T°) à une composition riche en sodium (albite, plus basse T°), sans vraiment « changer de minéral » mais en évoluant en continu.
À la fin, quand il reste peu de liquide, cristallisent les minéraux les plus « acides » : feldspath potassique, quartz et muscovite.
En résumé : plus le magma refroidit, plus les minéraux deviennent riches en silice et en éléments alcalins, et les premiers minéraux formés (olivine, pyroxène) peuvent même disparaître en réagissant avec le liquide pour laisser la place aux suivants. C’est une des clés pour comprendre pourquoi on trouve certains minéraux ensemble et pas d’autres dans les roches ignées !
La précipitation à partir de solutions aqueuses
C’est le mécanisme le plus répandu à la surface et près de la surface. Une eau devient chargée en ions dissous (Na+, Ca2+, SO42-, HCO3-, SiO2, etc.). Quand cette solution change de conditions (refroidissement, évaporation, perte de CO2, mélange avec une autre eau, baisse de pression), elle peut devenir sursaturée par rapport à un minéral donné. ce dernier vas alors spontanément former des cristaux sur les parois les plus viables puis continuer à croitre en suivant leur structure cristalline de facon libre.
Dès que le produit de solubilité est dépassé, le minéral précipite. Exemples classiques : Calcite dans les grottes , Gypse et halite dans les bassins évaporitiques, Opale et quartz dans les veines hydrothermales.
On reconnais deux types distincts de phénomènes: La précipitation, changement lié à l'état physique du liquide, les ions deviennent insolubles et se transforment en solides. La redox ou oxydo-réduction, impliquant qu'un ou plusieurs éléments changent de charge en perdant ou gagnant des élections suite à un changement d'elements oxydant ( exemple : le fer passe de Fe2+ (ferreux, souvent soluble) vers Fe3+ (ferrique, très peu soluble) ( formation suivant par précipitation de rouille, goethite, hématite. ). Les deux pouvant se produire en même temps.
À grande profondeur ou près des intrusions magmatiques, les fluides deviennent supercritiques (ni vraiment liquide, ni vraiment gaz). Ils ont alors une très grande capacité à dissoudre et transporter des éléments (or, cuivre, tungstène, molybdène, etc.).
Quand ces fluides rencontrent une zone de fracture, une baisse de pression ou de température, ou un changement chimique (mélange avec eau de surface par exemple), les minéraux précipitent brutalement dans les fractures vers la formation des veines hydrothermales (quartz, sulfures, carbonates, etc.).
La formation par métamorphisme
Ici, il n’y a généralement pas de gros changement de composition globale (sauf apport ou perte de fluides). Les minéraux préexistants deviennent instables dans les nouvelles conditions P-T et réagissent entre eux pour former de nouveaux minéraux plus stables. Exemples de réactions typiques :
- Calcite + quartz vers wollastonite + CO2
- Muscovite + quartz vers feldspath potassique + sillimanite + eau
- Olivine + plagioclase vers grenat + orthopyroxène (métamorphisme de granulite)
Les fluides (souvent très peu abondants) jouent un rôle de catalyseur et transportent parfois des éléments (Na, K, Si, CO2…).
On reconnais dans le métamorphisme trois familles, le métamorphisme de contact produit par une chaleur sèche locale entre deux environements, le métamorphisme hydrothermal occasionné par des fluides chauds chariant des éléments chimiques, et le métamorphisme régional lié à des pressions et températures et déformation sur de larges zones
L’altération chimique
Dès qu’un minéral arrive en surface ou près de la surface, il rencontre des conditions très différentes de celles de sa formation : beaucoup d’eau, de l’oxygène, des variations de température, des micro-organismes… Il vas alors subire des modifications chimiques pour différentes raisons : l'Hydrolyse, attaque acides ( pluie + CO2 ), Oxydation, Dissolution, Hydratation. La fin de "vie" d'une éspèce chimique mais la création de nouveaux éléments briques pour la formation de nouvelles.
Bien entendu il n'y a pas qu'en surface que l'altération se produit, chaque type de formation énuméré ci-dessus peut emprunter la marche arrière si leur environnement est bouleversé.
Des minéraux les plus simples au plus complexes
J'ai cité avant la série de Bowen, mais dans la nature ce sont toujours les minéraux les plus simples qi se forment en premier. celà vient de deux facteurs principaux :
- Énergie de liaison et température de stabilité
Les minéraux mafiques (olivine, pyroxène…) ont des liaisons métal-oxygène (Mg–O, Fe–O) très fortes par rapport aux liaisons Si–O.
Ils forment des cristaux stables à très haute température (souvent > 1200–1400 °C).
Les minéraux felsiques (feldspath, quartz) ont beaucoup plus de liaisons Si–O–Si fortes mais très rigides. ils ne deviennent stables qu’à des températures plus basses, quand le magma est déjà beaucoup plus riche en silice.
- Degré de polymérisation du silicate dans le liquide
Au début, un magma basique (pauvre en silice) contient beaucoup d’oxygène « libre » par rapport au silicium, les tétraèdres SiO2 restent isolés ou en petites chaînes, les minéraux simples (olivine, pyroxène) sont favorisés.
À mesure que ces minéraux cristallisent, ils appauvrissent le magma en Mg et Fe. le liquide restant devient de plus en plus riche en silice, les tétraèdres commencent à se connecter en réseaux de plus en plus complexes, seuls les minéraux très polymérisés (feldspath, quartz) peuvent alors cristalliser.
Les minéraux simples se forment en premier parce qu’ils sont les seuls possibles quand il fait très chaud et que le magma est encore « basique » (pauvre en silice polymérisée)
Les minéraux complexes arrivent en dernier parce qu’ils ne deviennent stables qu’après que le magma ait été appauvri en Mg/Fe/Ca et enrichi en SiO2 , conditions dans lesquelles les grands réseaux 3D de silice sont les plus économes en énergie
C’est exactement pour cette raison qu’on ne trouve jamais de quartz ou de feldspath potassique cristallisés très tôt dans une roche basique, et qu’on ne trouve jamais d’olivine fraîche dans un granite : les uns chassent les autres par simple question d’évolution chimique du liquide résiduel.
Une fois que les températures basses et que les éléments simples et stables sont cristallisés, il ne reste plus que les minéraux très complexes qui peuvent apparaitre dans un environnement thermodynamiquement favorable avec des températures suffisement basses avec assez de ressources pour former de larges cristaux.
Les liaisons chimiques
Lorsque les éléments libres s'aglutinnent pour former des éléments chimiques complexes ils suivent un schéma spécifique lié aux liaisons chimiques. il existe pour faire simple quatres liaisons chimiques importantes en minéralogie, on les classes du plus fort au plus faible.
1 La liaison covalente
C'est la liaison la plus puissante et la plus rigide. Deux atomes partagent une ou plusieurs paires d'éléctrons, exemple dans le quartz SiO2 ( brique naturelle ou enssemble de quartz pur ) où chaque atome de silice partage ses éléctrons avec 4 atomes d'oxygène SiO4 ( structure cristalline en groupe tétraédrique pure [ alors écrite SiO2 pour sa clef matricielle, voir cristallographie ] ou ayant nécéssité de combler avec cations comme Mg, Fe, Ca, etc.)
Caractéristique : directionnelle (les atomes sont attachés à des angles précis), donne souvent des cristaux très durs et cassants.
2 La liaison ionique
Un atome donne un ou plusieurs éléctrons à un autre, les ions opposés vont alors s'attirer comme des aimants. Typique des éléments carbonétés ou des sels, exemples avec la Halite NaCl donné par Na+ avec Cl-, la calcite, CaCO3 donné par Ca2+ avec (CO3)2-, ou encore la Fluorite noté CaF2 résultat de Ca2+ avec deux atomes F-
Caractéristique : non directionnelle (les ions s’attirent dans toutes les directions), donne souvent des clivages parfaits (plans de cassure naturels) et des cristaux cubiques ou octaédriques.
3 Liaison métallique
Les électrons de valence ne sont pas attachés à un seul atome : ils forment un « nuage » qui circule entre tous les cations. Très rare dans les minéraux purs, mais importante pour les minéraux natifs (or, cuivre, argent, platine). Exemples : or natif Au, cuivre natif Cu.
Caractéristique : explique la malléabilité, la ductilité, la conductivité électrique et thermique des métaux natifs.
4 Liaison hydrogène et forces de van der Waals (liaisons faibles)
Ce sont des attractions beaucoup plus faibles, mais très importantes pour la cohésion de certains minéraux.
- Liaison hydrogène : entre un hydrogène attaché à un atome très électronégatif (O, N, F) et un autre atome électronégatif à proximité. Exemple : gypse CaSO4·2H2O (les molécules d’eau sont liées par liaisons H), explique sa douceur et son parfait clivage.
- Forces de van der Waals : très faibles attractions entre molécules neutres. Exemple : graphite (feuillets de carbone liés faiblement entre eux), explique pourquoi le graphite est glissant et mou.
En gros : plus la liaison est covalente et les atomes partagent beaucoup d’électrons, plus le minéral sera dur et résistant (diamant, quartz).
Plus il y a de liaisons ioniques ou faibles, plus le minéral sera fragile, clivable ou mou (sel, gypse, talc).
C’est cette chimie des liaisons qui explique pourquoi certains minéraux résistent des milliards d’années à la surface de la Terre, tandis que d’autres disparaissent en quelques années sous la pluie.
Cristallochimie
Rappel : ce sont l'enssemble de ces règles d'agencement qui vont dicter comment les masses cristallines vont se former de manière cohérentes. Voir documentation sur la cristallochimie.
Lecture chimique
Une fois le minéral formé et déposé, on le lis sur son plus petit maillon quel que soit sa taille. Le plus petit maillon indivisible à sa propriété et son entièreté sera alors sa formule chimique.
On retiens les règles majeurs suivantes :
- Lecture de l'élément chimique
Chaque symbole nomme un atome. Il commence obligatoirement par une majuscule, suivis souvent par une minuscule. Si = silicium, O = oxygène, Al = aluminium, Fe = fer, Mg = magnésium, Ca = calcium, Na = sodium, K = potassium, etc.
Pour les connaitres on se réfère au tableau des éléments.
Toutes lettres ne figurant pas dans le tableau sont des variables, par exemple X, Y, M, N, Z, ils sont toujours accompagnées d'une description expliquant.
- L'indice numérique
Il indique le nombre de fois qu'un atome est répété. il sera toujours en petit.
exemple : SiO2, le quartz, est preprésenté par Si, un atome de silicium, et O2 deux atomes d'oxygène. On regroupe les atomes enssembles, pour ne pas écrire O-Si-O, on simplifie en SiO2.
( exception, il arrive que par habitude les gens ecrivent SiO2 par fainéantise ou incapacité numérique, le plus souvent pour les formules simples qu'il faut alors connaitre, parfois en avant en majuscule Si2O, mais cette écriture est soit fausse soit réservée à des groupes. Il faut en etre conscient et simpleemnt le savoir. )
- Les groupes d'enssembles
On aime écrire les atomes en essembles compactes sous la forme de groupe. même si'il n'est pas forcément indispenssable, il est parfois utile quand ces groupes se repettent dans une formule.
Exemples concrets, le groupe carbonate, CO3, s'écrit (CO3), on le retrouve dans CaCO3, écris aussi Ca(CO3). ou encore avec les sulfates (SO4) ou les phosphates (PO4).
- Les substitutions
quand on trouve ceci : (Mg,Fe)2SiO4 , soit des virgules dans les paranthèses, celà indique que les deux atomes sont possibles dans la formule. ici le cas d'un substitu de son site tétraédrique où soit le magésium soit le fer peut se mélanger à son silicate (olivine dans ce cas). on y décompose donc Mg2SiO4 ou Fe2SiO4, voir avoir les deux simultanément dans le même cristal.
Pour reprendre l'éxemple d'en haut, on pourrait aussi l'écrire Y2SiO4 avec Y = 20% de fer et 80% de magnesium. ce genre d'écriture est possible.
- Coéficient de groupe
Le coéficient de groupe est comme l'indice mais pour les groupes, s'applique aux parentaises, il la suit pour indiqué combien de fois il se réplique. Ici ce n'est pas rare de le voir écrit en gros.
exemple avec l'apatite écrite Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), simplifié Ca5(PO4)3F ou aussi écrit Ca53(PO4)F. On y lit, 5 atomes de calcium, 3 fois le groupe phosphate et un site variable entre F, Cl, OH soit fluor, chlore ou hydroxyle.
- L'hydratation
écrit spécifiquement · nH2O , indique des molécules d'eau non liés chimiquement mais piégés dans la structure de manière cohérente. on dit que la molécule est hydratée.
Pour l'éxemple du gypse qui contient deux molécules d'eau on l'écrit CaSO4·2H2O ou Ca(SO4)·2H2O.
- les sites vacants
Plus rarement les sites vacants, avec des lacunes d'atomes sécrit □ , parfoix avec un Y précisé , avec comme exemple du plagioclase riche en calcium avec lacune écrit □Al2Si2O8.
- Les crochets
Les crochets [] permettent d'entourer un nouveau groupe sans réutiliser les parentaises , par cet exemple inventé [CaFe(PO4)]2(OH)Fe2.
Parfois il est utilisé pour signifier des enssembles de briques de bases comme par exemple le tétraèdre de silicate écrit [SiO4]4-.
- les exposants
Les exposants suivent des atomes ou des groupes pour indiquer l'équilibre electrique souvent utilsié pour les ions ou autre , suivantr les exempels déjà connés dans le doccument comme Fe3+ ou [SiO4]4-. On peut aussi le retrouver dans les formules plus compeltes commes celle ci inventée Ca5(PO4)3(F-,Cl-,Fe3+), où les éléments de substitution serait des ions.
En résumé : une formule minéralogique n’est pas une simple liste d’atomes.
C’est un portrait chimique qui raconte : quels éléments sont présents, dans quelles proportions, comment ils sont organisés (isolés, chaînes, feuillets, 3D), quelles substitutions sont possibles.
Une fois qu’on sait lire ces formules, on comprend beaucoup mieux pourquoi certains minéraux sont durs, clivables, colorés… ou pourquoi ils apparaissent ensemble dans une roche.
Représentation
Pour bien comprendre l’organisation intime d’un minéral, il est essentiel de le visualiser en trois dimensions. La plupart des minéraux, en particulier les silicates (qui représentent plus de 90 % de la croûte terrestre), s’organisent autour du tétraèdre [SiO4] : un atome de silicium au centre, entouré de quatre atomes d’oxygène disposés aux sommets d’un tétraèdre régulier. Ces tétraèdres s’assemblent ensuite de différentes façons : isolés (olivine), en doubles (pyroxènes), en anneaux (beryl), en feuillets (micas, argiles) ou en un vaste réseau tridimensionnel continu (quartz, feldspaths). Ces arrangements 3D expliquent directement de nombreuses propriétés observables : dureté, clivage, densité ou résistance chimique. Les représentations modernes (logiciels comme VESTA ou Mercury, modèles animés) permettent aujourd’hui de manipuler ces structures virtuelles et de mieux saisir comment l’ordre microscopique engendre la beauté et la diversité des cristaux que l’on observe à l’œil nu.
Pour visualiser l’organisation réelle des atomes dans un minéral, on utilise très souvent le modèle « boules et bâtonnets » (ball-and-stick en anglais). Dans cette représentation, chaque atome est figuré par une sphère (dont la taille est souvent proportionnelle au rayon ionique ou atomique) et les liaisons chimiques sont représentées par des bâtonnets reliant les sphères. Ce modèle met particulièrement bien en évidence la géométrie tridimensionnelle des structures. chaque atome aura sa propre représentation sur ces shémas.
exemple de représentation du quartz en boulles et batons
exemple de représentation du quartz en chaine moléculaire
exemple de représentation du quartz de maille ( voir cristallographie )
