La cristallographie est la science des cristaux, au sens large.
Elle étudie : la formation, la croissance, la forme extérieure, la structure interne, et les propriétés physiques de la matière cristallisée.
[Hist.] Le mot « cristal » est d’origine grecque, et provient de : kruos (froid) et stellesoai (solidifier). En effet, les anciens croyaient que les cristaux des roches avaient été solidifiés par un refroidissement général (comme la glace) et avaient conservé son état.

Après avoir fait partie de la minéralogie (qui est la description et l’étude des espèces
constituant les roches naturelles), dont elle était une introduction, la cristallographie est devenue, depuis la fin du XIXe siècle, une science indépendante grâce aux développements de la chimie (et surtout de la chimie organique) où il a été montré que de très nombreux corps non-minéraux peuvent prendre la forme cristalline.
C’est maintenant une branche importante des Sciences Physico-Chimiques, destinée à pouvoir mener l’étude de la morphologie, de la texture et de la structure des cristaux :

– la morphologie : est la description complète de la forme extérieure (macroscopique) d’un monocristal au moyen de la mesure et du repérage des angles des facettes limitantes de la matière (dièdres) ;
– la texture : est la description de la forme, des dimensions, et de l’orientation mutuelle des monocristaux dans un matériau polycristallin (constitué d’un ensemble de monocristaux) tel qu’un métal, une poudre, un sol, une céramique, etc. ;
– la structure : est la description complète de l’empilement des individus (atomes, ions, ou molécules) constituant le cristal lui-même (phase homogène).

La science moderne définit l’état cristallin comme l’un des états caractéristiques de la matière, celui où elle apparaît avec un maximum d’ordre ; de cet ordre découlent des propriétés physiques particulières.

Les différents cours présentés dans cette rubrique synthétisent les principales bases de la discipline :

Stabilité des minéraux et solutions solides :

Les principaux processus qui conduisent à la formation de minéraux :

1-      Cristallisation d’un liquide qui, par refroidissement, passe de l’état liquide à solide

2-      Précipitation chimique à partir d’une solution sursaturée par rapport à un minéral

3-      Cristallisation de vapeurs

4-      Transformation (recristallisation) de minéraux existants en formes cristallines différentes de l’original.

La cristallisation par refroidissement d’un magma

Plusieurs minéraux de la croûte terrestre cristallisent à partir d’un magma, c’est-à-dire, de la roche fondue. Cette cristallisation obéit à certaines règles. Dans un magma dont la température est supérieure à 1200° C, comme au niveau du manteau supérieur par exemple, les minéraux sont tous sous leur phase liquide. Si ce magma est introduit dans la croûte terrestre, il subit un abaissement de pression et se refroidit progressivement. En supposant qu’on maintienne la pression constante, c’est-à-dire, à un niveau constant dans la croûte, les minéraux cristallisent lorsqu’ils atteignent la température correspondant à leur limite solide-liquide (température de cristallisation). Comme cette limite n’est pas la même pour tous les minéraux, ceux-ci ne cristallisent pas tous en même temps, mais à tour de rôle, selon leur température de cristallisation, à mesure que se refroidit le magma.

Avec un abaissement de la température du magma, les minéraux dont la température de cristallisation est la plus élevée sont les premiers à cristalliser. Le premier est l’olivine. Le second groupe à se former comprend les pyroxènes. A ce stade, le magma aura épuisé son bagage en olivine. Puis avec la cristallisation des amphiboles, puis de la biotite, le bagage en pyroxènes est épuisé. Avec l’abaissement progressif de la température, suivent le quartz, les feldspaths potassiques et la muscovite. On a donc une suite de cristallisation bien définie, contrôlée par la température. On appelle cette suite une suite discontinue, parce qu’il s’agit dans chaque cas de minéraux distincts (composition et structure cristalline distinctes).

Il y a aussi une suite continue, celle des feldspaths plagioclases. On dit une suite continue, parce que la seule variable significative est la proportion de calcium par rapport au sodium. A l’extrémité « chaude », on a le plagioclase calcique (CaAl2Si2O8, anorthite) et, à l’extrémité « froide », le plagioclase sodique (NaAlSi3O8, albite).

Formation des agates

Bien qu’à première vue ce ne soit pas évident, il y a toutes sortes de fluides, de solutions, qui circulent dans les roches de la croûte terrestre, et ce, à des profondeurs très importantes, allant jusqu’à plusieurs kilomètres. Les vitesses de circulation ce ces fluides sont très lente, mais il faut se placer dans une perspective de temps géologique. Ces solutions circulent, entre autre, dans les grandes fractures. Elles peuvent provenir des zones chaudes du manteau et être constituées de l’excès de vapeur d’eau d’un magma. Ou encore, il peut s’agir de l’eau qui avait été piégée dans les bassins sédimentaires profonds. Si ces solutions sont sursaturées par rapport à certains sels ou minéraux, elles vont les précipiter. Ainsi, les beaux spécimens à grands cristaux qu’on retrouve dans des veines proviennent d’un tel processus. L’or et l’argent de ces veines ont été formés ainsi.

Ces belles géodes ou ces belles agates qu’on nous vend dans les boutiques de minéraux ont été formées par la précipitation de minéraux dans une cavité de la roche, à partir d’une solution. Par exemple, le quartz (SiO2) des agates a été précipité à partir de fluides sursaturés par rapport à la silice et circulant dans les formations rocheuses. S’il y a dans ces formations rocheuses des cavités, comme c’est souvent le cas dans des roches volcaniques par exemple, le quartz va précipiter sur les parois de la cavité pour former une première couche de cristaux.

On aura à ce stade une géode, c’est-à-dire, une cavité tapissée de cristaux. Avec le temps et la poursuite de la circulation des fluides sursaturés en silice, d’autres couches vont successivement se former. Leur composition peut varier avec des variations dans la composition des fluides. C’est ce qui produit souvent des différences de couleurs entre les diverses couches d’une agathe. Certaines agates montrent une cavité centrale, comme dans l’illustration, simplement parce que les processus de précipitation n’ont pas été complétés jusqu’au remplissage total de la cavité.

Les minéraux de la séquence évaporitique

Plusieurs cristaux, et parmi les plus beaux spécimens, se forment aussi à partir de solutions sursaturées en certains éléments chimiques, c’est-à-dire une solution qui contient plus de sels qu’elle ne peut en dissoudre. Les cristaux précipitent à partir de la solution selon divers processus. L’évaporation est un de ces processus. Un bon exemple est la suite de minéraux qui précipitent quand s’évapore de l’eau de mer.

L’eau de mer contient une panoplie importante d’ions en solution, dont des ions positifs tels le calcium, le sodium et le potassium, des ions négatifs tels le chlore, et des radicaux négatifs comme CO3 et SO4. L’évaporation ne se débarrasse que de l’eau, ce qui fait qu’au fur et à mesure de l’évaporation, la solution devient de plus en plus saline, c’est-à-dire que les sels se concentrent de plus en plus.

L’eau de mer normale a une salinité de l’ordre de 35 g/l. A cette salinité, elle est légèrement sursaturée par rapport au carbonate de calcium, CaCO3 (calcite et aragonite). Ce dernier précipite naturellement et dépose une couche de cristaux de CaCO3.. Avec la poursuite de l’évaporation et par conséquent l’augmentation de la salinité, la solution devient sursaturée par rapport à un autre sel, le CaSO4 hydraté (gypse); la solution (le milieu) est dite pénésaline. Le gypse précipite. Puis, avec encore une augmentation de la salinité, vient la phase de précipitation du chlorure de sodium, NaCl (halite, le sel commun); la solution (le milieu) est dite saline. La dernière phase avant l’évaporation totale est le chlorure de potassium, KCl (sylvite, communément appelée potasse); la solution (le milieu) est hypersaline.

On obtient donc une suite bien spécifique de minéraux précipités à mesure de l’évaporation de l’eau de mer. C’est la suite évaporitiques ou ce qu’on appelle plus communément les évaporites. Au moins trois de ces minéraux interviennent dans les activités humaines: le gypse, entre autre pour la fabrication des panneaux de gypse, le sel de table, et la potasse dans les fertilisants.

Cristallisation de vapeurs

–> Cristaux de soufre origine Sicile

Exemple : la cristallisation du soufre autour des fumerolles (émanations de gaz riches en H2S provenant de la chambre magmatique) sur les volcans.

Publicités

"

  1. teilhet philippe dit :

    Bonjour,
    Je suis enseignant en SVT dans un collège. Un échange est en cours de réalisation entre notre établissement et un établissement de République Tchèque. Dans le cadre de mon cours de 4ème sur la tectonique des plaques, j’aimerais, à cette occasion, aborder l’exemple de la formation du « rift » péri alpin concomitant de la formation des Alpes (rift du Massif central, rift alsacien, rift allemand, rit bohémien). J’ai lu vos travaux mis en ligne sur le net, ils m’ont beaucoup appris mais pour simplifier face à des élèves de 4ème, je me trouve un peu gêné. Que dois-je leur dire ?
    -que l’origine du rift (et du volcanisme associé) est liée à la convergence entre deux plaques (Europe et Afrique, pour simplifier),
    -que la lithosphère (vieillie et plus dense) en s’enfonçant dans l’asthénosphère crée une convergence entre les deux plaques et que c’est cette convergence qui est à l’origine de la formation des Alpes,
    -que la convergence entre ces plaques étire (plus loin) la lithosphère créant un amincissement (rift) favorisant la remonté de magma.

    Ces trois idées sont simplistes (par rapport à vos travaux) mais puis-je les présenter ainsi à mes élèves sans avoir l’impression de faire de grosses erreurs quant au moteur subduction/accrétion?

    Dans l’attente de votre réponse

    Cordialement

    Philippe TEILHET

    pteilhet@laposte.net

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s