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 général dans la croûte terrestre

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 sein des roches

Les processus de formation des minéraux. Les roches et les minéraux sur Terre sont formés par des processus ignés, métamorphiques, sédimentaires et hydrothermaux, donc les minéraux peuvent être classés de cette manière.

• Les minéraux ignés cristallisent par refroidissement de magmas très chauds. Les minéraux ignés cristallisent dans le manteau terrestre à des températures supérieures à 1 000°C. En-dessous d'une certaine température des minéraux cristallisent à partir du liquide, jusqu'à ce que finalement l'ensemble du volume se solidifie. Durant la cristallisation, les atomes, ions, molécules du magma se combinent pour former un arrangement ordré de solides cristallins. La plupart des minéraux ignés sont des silicates.
  Quelques exemples : plagioclases, feldspaths, quartz, olivine, augite, ortho pyroxène, néphéline, leucite, hornblende, biotite…(1)

• les minéraux pneumatolytiques par action des gaz et fumerolles Les gaz et vapeurs dégagées par le magma à haute température vont, en se refroidissant dans les roches, favoriser des minéralisations locales.
  Quelques exemples : axinite, topaze, tourmalines, wolframite, molybdenite...

• Les minéraux sédimentaires sont soit détritiques soit authigènes. Les minéraux qui constituent les sédiments ont deux origines :
  • La première détritique. Les roches à la surface de la Terre sont décomposés et désintégrés par l'érosion mécanique.
    Quelques exemples : quartz, feldspaths, muscovite, grenat, zircon…(1)
  • La seconde authigène. L'érosion chimique transforme les minéraux des roches en d'autres minéraux et en solutions aqueuses d'ions.
    Quelques exemples : calcite, dolomie, halite, sylvite, gypse, les minéraux argileux…(1)

• Les minéraux métamorphiques se forment au dépens des minéraux préexistant par des réactions à l'état solide. Les minéraux et roches métamorphiques se forment à partir des roches déjà existantes qu'elles soient ignées, sédimentaires ou métamorphiques par des changements de minéralogie et de texture. Les roches métamorphiques se forment des dans conditions de pression et de température élevées (minimum 200 °C).
  Quelques exemples : grenat, staurotide, chloritoïde, les aluminosilicates, muscovite, biotite, chlorite, hornblende, actinote, glaucophane, groupe de l’épidote, les pyroxènes, diopside…(1)
  La formation d'un minéral est stable seulement dans des conditions de pression et température(PT) particulières. Un cas particulier : Al₂SiO₅, en fonction des conditions PT au moment de la cristallisation, va cristalliser dans l'un ou l'autre des 3 polymorphes, donnant soit de l’andalousite (avec P basse et T moyenne ) soit de la sillimanite (avec T haute et P moyenne à forte) soit du disthène (avec P forte et T basse à moyenne), minéraux avec la même composition chimique. (voir graphique à point triple).

• Les minéraux hydrothermaux précipitent à partir de solutions aqueuses à haute température. Ces minéraux précipitent à partir de solutions aqueuses à haute température (50 – 600 °C), souvent en relation avec une activité ignée. La plupart du temps, ils se déposent en veines dans des fractures ou dans des fissures des roches encaissantes. La plupart des minéraux économiquement intéressants qui cristallisent dans ces conditions sont des minerais qui contiennent des métaux. Les dépôts hydrothermaux proches de la surface de la Terre peuvent être altérés par des circulations d'eau météoritique à basse température. Les minéraux primaires sont transformés en minéraux secondaires.
  Quelques exemples de minéraux primaires : or, argent, cuivre, pyrite, galène, marcasite, sphalérite, magnétite, hématite, illménite, cassitérite, fluorine, quartz, calcite…(1)
  Quelques exemples de minéraux secondaires : cérusite, anglésite, malachite, azurite, pyromorphite…(1)

(1) voir à Classification Chimique des minéraux et les fiches détaillées des minéraux.

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 ; ils 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.
    
  • Le principe de la ionocovalence : dans les minéraux à de rares exceptions près, il n’existe pas de liaison totalement ionique ou totalement covalente. Toute liaison atomique à un caractère à la fois ionique et à la fois covalent. On parlera de liaison à caractère ionique où à caractère covalent quand l’une des propriétés l’emporte sur l’autre. A titre d’exemple, dans le corindon les liaisons aluminium oxygène sont plutôt covalentes. Dans l’halite déjà citée, la liaison sodium chlore est plutôt ionique. Parmi les solides présentant des liaisons totalement covalentes on peut citer le diamant, le graphite et le soufre.

• 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 dièdres" ;
• 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 sont étudiés par Friederich Mohs en 1820 ;
• Les indices de Miller, système de notation créé en 1839 par William Hallowes Miller.

Allons plus loin : De la croissance des cristaux à la morphologie des minéraux

la croissance et le modèle dit de « germination croissance »

Un fluide à une température T et une pression P est capable de dissoudre une certaine quantité d'un composé chimique. En modifiant les conditions de pression et de température on peut modifier la solubilité maximale du composé chimique et arriver à un état dit de saturation : il y a trop de composé dissout, mais cela demande trop d'énergie pour fabriquer les premier cristaux. A la faveur d'un « défaut thermodynamique » qui peut être la rencontre d'une surface accidentée, ou une nouvelle modification de la pression et de la température, la saturation est trop importante et le système va préférer payer de l'énergie pour créer les premiers germes. Si la surface en contact du fluide est très accidentée c'est-à-dire qu’elle présente de nombreux défauts thermodynamiques sur sa surface il y aura de nombreux point de germination. Aussi, une  modification de la pression ou de la température brutale et conséquente favorisera aussi l’obtention d’un grand nombre de germes.

Une fois l’étape de germination passée, se présente l'étape de croissance. En effet, les germes formés sont eux aussi des "défauts thermodynamiques", ainsi le composé dissout dans le fluide va continuer à précipiter du fait de la saturation en favorisant la croissance des germes. Si le fluide qui alimente la croissance des germes est trop sursaturé on observera aussi la création de nouveaux germes de façon concomitante à la croissance des autres germes.

La morphologie du cristal : une question d’énergie de surface

Pour comprendre la forme d'un cristal il faut s'intéresser à la cristallographie, plus précisément à l'ensemble des relations de symétrie existant dans une maille (groupe d'espace) ainsi que les positions des atomes dans cette maille. Avec ces informations on peut calculer l'énergie nécessaire à la création d'un plan atomique à la surface d'un cristal à l'aide de ce qu'on appelle les reconstructions de Wulf. Grâce à ces reconstructions il est possible de connaître à l’avance les diverses formes cristallines d’un minéral. Pour comprendre mieux la raison de la forme d’un cristal, il ne faut pas ignorer que la nature est fainéante et que lorsqu'on lui laisse le choix et le temps, elle choisit toujours les solutions qui lui coûtent le moins d'énergie. Ainsi, la forme d'un cristal témoigne des conditions physiques qui prévalaient lors de sa croissance, car c'est la forme qui a coûté le moins d'énergie. Après cette ébauche de raisonnement, il faut savoir que les choses ne sont pas toujours aussi simples. Une face cristalline est aussi une discontinuité, une surface ou les atomes ne sont pas liés chimiquement comme les atomes du cœur du minéral. Cela revient en quelque sorte à casser des liaisons (l'approximation est un peu brutale mais correcte). Or si dans le milieu de croissance, des espèces solubles sont capables de s'adsorber à la surface en se liant faiblement avec les atomes de la surface. On peut stabiliser des plans qui coûtent normalement très chers, et en déstabiliser d'autre qui sont normalement facile à payer. Ainsi on modifie la forme finale du cristal cette fois ci sans modifier les conditions physiques. Ces phénomènes de stabilisation peuvent ainsi induire des morphologies cristallines qui ne devraient pas être habituellement observées. Quand des espèces chimique s’adsorbent en surface et donc stabilisent les plans présentés, ces surfaces sont moins accessibles pour continuer la croissance suivant ces plans. Ainsi se sont les plans les moins stables, ceux qui ont peu voir pas de molécule en surface, qui croissent les plus vite. Comme ces plans sont instables ils finiront par ne plus être présentés lors de la croissance privilégiant ainsi la croissance lente des plans les plus stables. Les choses étant rarement aussi tranchées, on peut alors invoquer les deux effets, c'est à dire les conditions physiques (pression, température, vitesse de cristallisation), ainsi que les conditions chimiques (pH, espèces en solution) pour expliquer les diverses formes adoptées par les minéraux. Ces deux mécanismes expliquant la forme des cristaux sont généraux et ont lieu dans tous les milieux.

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

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