Comment se forment les cristaux

COMMENT SE FORMENT LES CRISTAUX ?

• La cristallogenèse est la formation d'un cristal, soit en milieu naturel, soit de façon synthétique.
• La cristallisation est le passage d'un état désordonné liquide, gazeux ou solide à un état ordonné solide, contrôlé par des lois complexes (voir à La cristallographie). La fabrication d'un cristal se déroule sous le contrôle de différents facteurs tels que la température, la pression, le temps d'évaporation.

Comme tous les corps simples et combinaisons chimiques, les minéraux peuvent se trouver sous les trois états : gazeux (dans les fumerolles), liquides (dans les magmas et les solutions hydrothermales) et solides.
Lorsqu'ils se solidifient, certains se présentent sous l'état solide amorphe, mais ils le font très souvent sous la forme cristalline, ils peuvent aussi se transformer en cristaux au bout d'un temps plus ou moins long. L'état cristallin est donc la forme stable des minéraux solides.

Les cristaux se forment soit par refroidissement des minéraux en fusion, ou magmas, des minéraux à l'état gazeux ou fumerolles (minéraux formés à hautes températures); soit à partir de solutions hydrothermales (minéraux de basses températures).
La croissance des cristaux commence quand, après formation d'un minuscule cristal, celui-ci soustrait à son environnement de plus en plus de la substance dont il est composé.

Il est certain que l'environnement dans lequel se forment les minéraux change grandement leurs caractères. Nous n'avons qu'à considérer un volcan de type explosif et comparer les conditions qui règnent dans sa cheminée, à celles que l'on trouve dans une grotte froide et tranquille.
Des minéraux cristallisent dans les deux cas et nous pouvons observer que certains minéraux sont caractéristiques d'un certain type de conditions.

le phénomène au sein des roches

Près des volcans en activité nous pouvons trouver des minéraux solubles qui cristallisent près des évents. Dans les régions de volcanisme récent, nous trouverons des minéraux formés par des éléments qui ont été amenés par des solutions et qui ont été transportés loin de leur source d'origine. Ils se séparent de l'eau à basse température et à basse pression. D'autres éléments restent près de leur source magmatique si leur volatilité et leur solubilité sont faibles. Néanmoins, comme tous les magmas sont accompagnés de gaz, ces éléments traversent souvent une certaine distance dans les roches environnantes et constituent des filons. Ainsi nous avons un groupe important de minéraux de haute température qui se forment dans les filons profonds, près des roches plutoniques. Dès ce moment, tous les éléments volatils et tous les éléments rares, non encore combinés, se concentrent dans une phase résiduelle. Ce liquide est très fluide, de sorte que les minéraux des roches (quartz, feldspath et mica) peuvent cristalliser en masse, souvent avec de nombreux minéraux rares. Il existe deux autres exemples de concentrations tardives d'eau et d'éléments volatils qui sont des gisements intéressants de minéraux. L'un est formé par les " cavités miarolitiques " du granite, dans lesquelles les gaz, au lieu de s'échapper du magma par des fissures, ont formé de grandes bulles closes. Les gaz inclus donnent naissance, au cours du refroidissement, à des minéraux qui tapissent les parois de ces cavités. Quand les fissures, dues à la contraction du granite solidifié, forment des joints et des filons, avant que tous ces gaz ne se soient échappés, nous trouvons, quelquefois, de fines crevasses tapissées de cristaux très petits et parfaits de minéraux typiques des pegmatites.

Quand le magma s'est totalement refroidi et solidifié, et que tous les minéraux de haute température ont été déposés, il y a encore apparition de solutions très riches en eau dans lesquelles sont dissous des métaux, des sulfures, la silice et d'autres éléments. Lorsque le liquide s'échappe, les éléments dissous se combinent et forment des dépôts minéralisés le long des parois des fissures dans lesquelles les solutions voyagent. Les fissures remplies de minéraux sont des filons, et les minéraux, dans ces filons, forment souvent des minerais intéressants. Les roches qui les bordent peuvent être attaquées par les solutions s'échappant de ces fissures et les minéraux métallifères sont souvent déposés dans la roche encaissante en remplacement de substances plus solubles qui ont été dissoutes.

Comme les roches, les filons et les parois enrichies en minéraux sont soumis, par exposition, à l'action des agents atmosphériques. Les sulfures peuvent s'oxyder et former des sulfates solubles. Certains peuvent être mis en solution, d'autres peuvent réagir avec des sulfures plus profonds et les enrichir en éliminant certains éléments : en remplaçant le fer par le cuivre, par exemple. Les sulfures peuvent se transformer en carbonates, en silicates, en oxydes par réaction sur les roches des parois. Un nouveau groupe de minerais peut se former et la surface exposée aux agents atmosphériques (affleurement) peut être lessivée, ne laissant que des oxydes de fer et d'aluminium. Un filon riche en pyrite peut se transformer et être lessivé pour former un chapeau de fer ou une croûte de limonite dans laquelle l'or, primitivement associé à la pyrite, peut être retenu.

Les craquelures, les crevasses, les cavités des roches sédimentaires sont des lieux favorables aux précipitations minérales importantes. Dans les sédiments, nous pouvons espérer trouver des filons remplis de minéraux de basse température, comme le quartz, la calcite et quelques sulfures.

Enfin, lorsque les sédiments subissent une élévation de température et des compressions, les minéraux secondaires se transforment et donnent, à nouveau, des minéraux de haute température dont certains sont visibles dans les roches. Mais les conditions de contrainte, de chaleur et de pression conduisant aux schistes et aux gneiss favorisent également la formation d'un nouveau groupe de minéraux. Ces roches de métamorphisme régional contiennent généralement du mica et d'autres minéraux à structure en feuillets. Lorsque les roches sont plissées, des fissures de tension apparaissent souvent et les éléments rares, dispersés dans les roches avoisinantes, migrent vers ces cassures. C'est l'origine des célèbres fentes alpines qui contiennent de si beaux et de si nombreux échantillons cristallisés.

Lorsque le magma, avec ses fluides riches en éléments rares, pénètre dans une masse de roches déjà métamorphisée, des changements se produisent par addition à la composition originelle. Une nouvelle série de minéraux de métamorphisme de contact se développe, en particulier dans les calcaires impurs, pour donner encore d'autres minéraux. Ceux-ci, à leur tour, peuvent être détruits par hydratation.

Le phénomène au niveau de l’atome

Les minéraux ont une composition chimique bien déterminée, exprimée par une formule chimique représentée par des lettres et chiffres correspondant aux différents éléments constitutifs.

• Les éléments sont groupés en : métaux, non-métaux, métalloïdes, lanthanides, actinides, halogènes, gaz nobles....
  Chaque élément est désigné par un code d'une lettre capitale, ou de deux lettres dont la première est une capitale et la seconde une minuscule ; c'est le symbole chimique. Par exemple : l'hydrogène est désigné par H, le carbone par C, l'azote par N , l'oxygène par O, le sodium par Na ), le fer par Fe, le calcium par Ca ...
  

• les atomes dont on connait 117 éléments actuellement (du 1 au 118, à l'exception du 117) dont 92 existent à l'état naturel sur Terre (Voir la liste àListe alphabétique des éléments naturels).

• Les ions sont des atomes qui ont perdu ou gagné un ou plusieurs électrons ; il ne sont plus neutres électriquement. Si d'aventure un électron est arraché à l'atome, il y a une charge +e excédentaire, on a ce que l'on appelle un «ion positif» ou «cation».Si par contre l'atome capture un électron qui passait par là, il y a une charge -e excédentaire, on a ce que l'on appelle un «ion négatif» ou «anion». Mais le noyau est inchangé, on a toujours le même élément chimique avec le même numéro atomique.
  

• les molécules : qui sont formées d'un assemblage d'atomes _qui sont liés entre eux par deux principaux types de liens: les liaisons ioniques et les liaisons covalentes_ sont l’étape avant les minéraux eux-mêmes.

• Liaison ionique : on sait que les objets ayant une charge opposée s'attirent, et que les objets ayant une charge de même signe se repoussent. Les + se repoussent entre eux, les - se repoussent entre eux, mais un + et un - s'attirent (force de Coulomb). Les ions se baladant dans la nature vont donc être attirés par des ions ayant une charge opposée, ils vont former un édifice électriquement neutre. Cette attraction électrostatique forme ce que l'on appelle la «liaison ionique».
  Elle est à l'origine de la cristallisation du sel. Ainsi, les ions sodium Na+ et les ions chlore Cl- s'associent pour former le chlorure de sodium NaCl (édifice neutre), qui n'est autre que le sel de cuisine (halite). Les ions sont empilés en alternance, de sorte qu'un ion + n'est entouré que d'ions -, et un ion - n'est entouré que d'ions +.

• Liaison moléculaire  : plutôt que de voler un électron à un autre atome comme dans le cas d'une réaction électrochimique, il peut y avoir une mise en commun d'un électron (chaque atome apporte un électron qu'il partage avec l'autre atome). C'est la liaison moléculaire ou liaison covalente.
  

• les minéraux : un cran au-dessus des molécules, on a les minéraux qui sont constitués d'atomes et de molécules, et se définissent sur deux critères indissociables: la composition chimique et la structure atomique. En simplifiant, on peut dire que le minéral, c'est la matière ordonnée. Reprenons l’exemple simple du le sel de table qui illustre bien la dualité de la définition de l'espèce minérale. Le minéral halite (sel de table) possède une structure atomique déterminée qu'on dit cubique. On l'appelle cubique parce que l'arrangement des atomes, en alternance régulière entre les Cl et les Na, forme une trame cubique : c’est la maille élémentaire, base de la cristallographie.

Quelques étapes de l'Histoire de la minéralogie

• en 1774, l'abbé Haüy ébauche les premières théories sur l'organisation de la matière, il dégage l'idée d'atome, à partir de l'observation du phénomène de clivage d'un cristal de calcite cassé;
• en 1783, Romé de L'Isle utilisera des notions de description "troncatures"et "formes primitives" qui l'amèneront à formuler sa loi de "constance des angles";
• Gabriel Delafosse, élève de l'abbé René Just Haüy, déduira la notion de maille en 1840;
• Auguste Bravais définit, en 1848, Les 14 réseaux de Bravais;
• les 7 systèmes cristallins étudiés par Friederich Mohs en 1820;
• Les indices de Miller, nommés en 1839 par William Hallowes Miller.

En complément d’information on ne saurait trop vous conseiller de suivre tout les liens de cette page.

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