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GLQ-1100 Géologie générale page 10 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux LES CRISTAUX Processus de formation des cristaux Un cristal est un polyèdre n...

GLQ-1100 Géologie générale page 10 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux LES CRISTAUX Processus de formation des cristaux Un cristal est un polyèdre naturel formé de matière La cristallisation de la matière est un processus ordonnée. L'état cristallin de la matière est le exothermique, c'est-à-dire qu'il s'accompagne d'un résultat de l'arrangement tridimensionnel et dégagement de chaleur. Cette chaleur ralentit la périodique d'atomes, d'ions et de cations. C'est l'état cristallisation des minéraux à grande profondeur le plus commun de la matière sur Terre car la plupart dans l'écorce terrestre, car la chaleur y est plus lente des constituants des roches sont des substances à se dissiper. Un refroidissement lent permet la cristallines, même lorsque la forme des cristaux n’est formation de gros cristaux et les roches formées à pas visible. La forme cristalline parfaite ne peut se grandes profondeurs seront communément grenues. réaliser que lorsque l'espace pour la croissance du cristal est disponible, ce qui est rarement le cas à On reconnaît quatre modes de formation pour les l'intérieur de la lithosphère. En conclusion, bien que cristaux : les cristaux parfaits sont relativement rares, la 1) À partir de l'évaporation ou le refroidissement matière cristallisée est extrêmement abondante. La d'une solution. matière non cristallisée est qualifiée de "amorphe". Sur Terre, le principal solvant est l'eau. Les Les seules roches communément amorphes sont les principaux minéraux formés par évaporation de l'eau verres volcaniques comme l'obsidienne. Les verres de mer sont : calcite, gypse, halite et sylvite. volcaniques se forment lorsqu’une lave siliceuse est Hydrothermalisme : l’eau souterraine, surchauffé au refroidie rapidement comme au contact avec l’eau de contact du magma, peut dissoudre et précipité en mer, par exemple. La matière fige alors avant que les refroidissant de nombreux minéraux tel la silice, l’or atomes aient le temps de s’organiser en cristaux, il et les sufures. en résulte un verre volcanique. 2) À partir du refroidissement d'un magma. Les faces d'un cristal sont repérées dans l'espace à Ce mode de cristallisation concerne l'ensemble des l'aide d'un trièdre de référence x y z. La notation de roches ignées qui proviennent, par définition, du Miller est généralement utilisée pour la description refroidissement et de la cristallisation d'un magma. des cristaux. Exemples : feldspath, olivine, pyroxène, et quartz 3) À partir de la précipitation de vapeurs Ce mode de cristallisation moins fréquent s'observe dans les environnements volcaniques où des vapeurs déposent des minéralisations sur les parois des évents. Exemple : soufre 4) À l'état solide La cristallisation à l'état solide concerne principalement le domaine du métamorphisme. Exemple : andalousite – kyanite – sillimanite Formes des cristaux Les cristaux sont limités par des faces correspondant à la limite de croissance d'un minéral. La forme d'un cristal est le résultat de l'empilement d'une maille élémentaire (molécule). Chaque molécule est formée d'anions et de cations possédant des charges et des rayons qui leur sont caractéristiques. La configuration de la molécule dépend des Figure montrant la notation de Miller pour agencements permissibles entre les anions et cations, l'identification des faces d'un cube et de quelques compte tenu de leur charge et leur rayon ionique. La autres plans. géométrie des molécules de silicates est illustrée au chapitre : Classification des minéraux. GLQ-1100 Géologie générale page 11 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux Substitution d'ions Les ions possédant une même charge et un même rayon sont totalement interchangeables et peuvent se subtituer dans un édifice cristallin sans affecter la structure d’un minéral. Un cas classique est celui des olivines où Mg2+ (rayon 72 pm) et Fe2+ (rayon 76 pm) forment respectivement le pôle de la fayalite (Fe2SiO4) et celui de la forstérite (Mg2SiO4) d’une série minérale continue ayant comme formule : (Fe, Mg)2SiO4. Lorsque la taille ou le nombre de charges des ions substitués sont différentes, la série minéralogique aura des discontinuités et/ou des variations de structure. C'est le cas de la série albite (feldspath sodique) – anorthite (feldspath calcique), dont la structure cristalline passe de monoclinique à triclinique. Macles Une macle se produit lorsque deux ou plusieurs cristaux d'une même espèce minérale croissent en s'accolant ou s'interpénétrant, selon une relation géométrique définie et répétitive. Certains types de macles sont caractéristiques d'un minéral comme la macle polysynthétique des plagioclases. Plan de clivage Figure montrant la taille relative des rayons ioniques Le clivage est l'aptitude d'un cristal à se briser selon des principaux anions et cations, les dimensions sont des plans parallèles. Plusieurs cristaux ont la en pm (picomètre = 10-12 m). propriété de facilement se briser selon un ou plusieurs plans définis qui sont en relation avec l'arrangement tridimensionnel des anions et cations qui le forment. Lorsqu'il y a deux plans de clivage ou plus, l'angle entre deux plans de clivage est un critère intéressant : Les amphiboles ont communément deux plans de clivage qui se croisent à 56˚ et 124˚, les pyroxènes ont deux plans qui se croisent à 87˚ ou 93˚. On ne doit pas confondre les plans de clivage avec les faces cristallines. Figure montrant une molécule d'halite (NaCl) et la structure cubique qui résulte de son empilement, les dimensions sont en pm (picomètre = 10-12 m). GLQ-1100 Géologie générale page 12 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux GLQ-1100 Géologie générale page 13 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux LES MINÉRAUX Quelques sulfures communs: Définitions : Arsénopyrite FeAsS Minéral Bornite Cu4FeS4 Un minéral est un composé chimique naturel qui se Chalcopyrite CuFeS2 présente sous forme d'un solide cristallin. Les Galène PbS minéraux ont une composition chimique fixe ou qui Molybdénite MoS2 varie à l'intérieur d'une certaine limite. On connaît Pyrite FeS2 l'existence de plus de 3000 minéraux, mais de ce Pyrrhotite Fe1-x S nombre, seulement une vingtaine sont importants dans le domaine de l'ingénierie. La définition de minéral exclut toutes substances fabriquées 4) Les oxydes et hydroxydes artificiellement, comme le diamant synthétique, par L'oxyde le plus abondant est l'eau (H2O). Les oxydes exemple. sont également une source de minerais pour des métaux de base comme l'aluminium, le fer et le Roche chrome. Les roches sont des agrégats de minéraux formant Quelques oxydes communs : les matériaux solides de l'écorce terrestre et des Chromite FeCr2O4 autres planètes. Les verres volcaniques sont les Corindon Al2O3 seules roches qui ne sont pas constituées de Hématite Fe2O3 minéraux. Ilménite FeTiO3 Magnétite FeFe2O4 Minerais Rutile TiO2 Le terme "minerais" désigne les minéraux qui ont une valeur économique. 5) Les chlorures et fluorures Classification des minéraux Les chlorures importants sont la halite (NaCl), et la sylvine (KCl). On divise généralement les minéraux en huit classes. Le fluorure important est la fluorine CaF2 La classe des silicates contient 95% des minéraux présents dans la lithosphère. Les autres minéraux 6) Les carbonates sont divisés en sept classes, d'après leurs affinités Après les silicates, les carbonates sont le deuxième chimiques. groupe chimique, en importance, qui représente environ 2% de la composition des roches de la croûte 1) Les silicates terrestre. Aragonite CaCO3 Le groupe des silicates représente plus de 95% de la Calcite CaCO3 composition minérale des roches. Les silicates sont Dolomite CaMg(CO3)2 des assemblages de tétraèdres de [SiO4]4-, [AlO4] 5- et Magnésite MgCO3 de cations. Cette classe est subdivisée en six Malachite CU2(CO3)2(OH)2 groupes, d'après la géométrie de l'assemblage des Sidérite FeCO3 tétraèdres SiO4 des molécules de silicates. Ces groupes sont présentés plus loin dans le chapitre. 7) Les sulfates, molybdates et les tungstates 2) Les éléments natifs Le gypse, CaSO4. 2H2O est le principal représentant Les principaux éléments natifs sont l'or, l'argent, le des sulfates. La wulfénite, PbMoO4 est le principal diamant, le graphite, le soufre, le cuivre, le platine, le représentant des molybdates. La scheelite, CaWO4 fer, nickel et moins fréquemment le cobalt, l'arsenic, principal représentant des tungstates. l'antimoine, le mercure, l’étain, le zinc et le bismuth. 8) Les phosphates 3) Les sulfures et sulfosels Le phosphate le plus important est l'apatite, Les sulfosels sont des sulfures de semi-métaux Ca5(PO4)3(OH,F,Cl). comme l'étain (Sn) et l'antimoine (Sb). GLQ-1100 Géologie générale page 14 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux Classification des silicates GLQ-1100 Géologie générale page 15 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux Classification des silicates (suite) GLQ-1100 Géologie générale page 16 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux Identification visuelle des minéraux toujours la couleur de la surface non altérée du minéral ainsi que la couleur du trait qu'il laisse Lorsque la situation l'exige, on peut confier l'analyse lorsqu'on le frotte ce minéral contre une plaque de minéralogique d'un échantillon à un laboratoire porcelaine rugueuse. Pour les minéraux plus durs d'analyses. La plupart du temps, on peut identifier que la porcelaine, on utilise la couleur de la poudre soi-même les minéraux communs par l'observation obtenue dans un mortier. de leurs propriétés physiques. Éclat Ces propriétés sont divisées en quatre classes : L'éclat d'un minéral dépend de la façon dont le minéral réfléchit ou absorbe la lumière. Les 1) propriétés liées à la lumière : principaux éclats invoqués pour les minéraux sont : couleur, éclat, transparence et luminescence Métallique ex. pyrite, chromite, galène... 2) propriétés liées à la structure des cristaux Adamantin ex. diamant, zircon, rutile... forme, clivage, cassure, dureté. Vitreux ex. quartz, grenat, fluorite... Résineux ex. soufre, tourmaline, ambre 3) propriétés liées au sens du toucher, du goût et de Gras ex. talc, néphéline l'odorat. Soyeux ex. chrysotile Cireux ex. antigorite 4) propriétés particulières : Terreux ex. limonite, kaolinite réactivité à HCl, magnétisme, densité, radioactivité, piézoélectricité. Transparence Les minéraux sont classés opaques ou translucides. Certains minéraux translucides sont quelquefois Couleur transparents. Le quartz est généralement translucide Exemples de couleur habituelle associée à certains et peut quelquefois se présenter en cristaux minéraux transparents. Blanc Quartz, calcite, feldspaths, gypse, dolomite, talc, halite Luminescence Vert Malachite, olivine, chlorite, La luminescence est la propriété qu'ont certains serpentine, apatite, épidote minéraux d'émettre de la lumière lorsqu'on les Jaune Soufre, carnotite, orpiment éclaire aux rayons ultraviolets. La couleur peut Doré, laiton Or natif, marcassite, pyrrhotite, varier selon que les rayons ultraviolets sont courts ou pyrite, chalcopyrite longs On distingue la fluorescence de la Bleu Azurite, turquoise, kyanite, covelite phosphorescence, dépendamment si la luminescence Brun Sidérite, goethite, zircon, limonite persiste ou s'éteint lorsque cesse l'éclairage UV. Violet Améthyste, fluorite La scheelite (CaWO4) s'identifie facilement grâce à Rose Quartz rose, orthose, rhodocrosite, sa luminescence bleue. rhodonite Forme des cristaux Orange Réalgar, crocoïte Lorsque l'observation est possible, la reconnaissance Rouge Cinabre, hématite, zincite, grenat, du système cristallin est un critère d'identification. jaspe La forme des agrégats de minéraux est souvent plus Argenté Argent natif, platine, arsénopyrite, facile à observer. Ces agrégats peuvent être en fibres Gris métal graphite, galène, molybdénite, parallèles, radiées, ramifiées, en boules... hématite Noir Magnétite, ilménite, chromite, Clivages et cassures uranite Il faut noter la présence ou l'absence de plan de clivage, leurs nombres, ainsi que l'angle entre les La coloration des minéraux dépend de plusieurs plans de clivage. Lorsque les minéraux sont non facteurs et une même espèce minérale peut se clivés, il faut noter la forme des cassures qui peut présenter sous différentes couleurs. Pour un même être irrégulière, ou conchoïdale. minéral, la couleur de sa poudre est plus constante que celle du minéral intact. Pour cette raison, on note GLQ-1100 Géologie générale page 17 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux La dureté Description des principaux minéraux de La dureté est la capacité d'un minéral à se laisser l'écorce terrestre rayer par un objet pointu et plus dur. L'échelle de référence pour la dureté des minéraux est l'échelle de Les minéraux choisis sont les plus communs et Mohs. Cette échelle est numérotée de 1 à 10 et forment plus de 99% de la composition des chaque palier fait référence à la dureté de minéraux roches de la lithosphère. témoins. 10 Diamant 9 Corindon 8 Topaze Quartz 7 Quartz SiO2 6 Orthose 5 Apatite 4 Fluorite 3 Calcite 2 Gypse 1 Talc Échelle de dureté de Mohs La densité La densité de référence est eau = 1. La densité du quartz est 2,65. Les minéraux lourds ont une densité supérieure à 3, celle des pépites d'or varie de 15 à 19, Système cristallin : Rhomboédrique (pseudo selon leurs proportions en cuivre et d'argent. hexagonal, en apparence) La réactivité à HCl 10% Habitus : cristaux prismatiques possédant une ou Ce critère permet de reconnaître certains carbonates. deux extrémités pyramidales. Pseudo hexagonal, en La calcite est très effervescente tandis que la apparence, parce que le cristal est formé par le dolomite doit être pulvérisée pour faire maclage de deux rhomboèdres tournés de 60˚ l'un effervescence. Certains sulfures sont faiblement par rapport à l'autre. solubles dans HCl et dégagent une odeur de H2S. Cassure/clivage : absence de clivage, la cassure du L'odeur quartz est typiquement conchoïdale. L'exemple classique est celui de l'arsénopyrite qui dégage une odeur d'ail lorsqu'elle est brûlée et Dureté : 7 certains sulfures dégagent alors une odeur de H2S,.en présence de HCl. Densité : 2,65 Le toucher Couleur : incolore, blanc laiteux ou couleur variée, Ce critère d'identification est intéressant dans le cas généralement translucide. du talc, et du graphite. Couleur du trait : blanc. La saveur Cette propriété concerne certains minéraux solubles Notes : aspect vitreux, cassure conchoïdale, raye le comme la halite (NaCl). verre, trait blanc, minéral très commun des roches quartzo-feldspathiques. Le magnétisme Ce critère d'identification est intéressant pour identifier la magnétite et la pyrrhotite. La radioactivité Certains minéraux contiennent de l'uranium ou du thorium qui les rend radioactifs, GLQ-1100 Géologie générale page 18 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux Feldspaths alcalins ou orthoclases Dureté : 6 Na(AlSi3O8) albite K(AlSi3O8) orthose Densité : 2,67 à 2,76 (de sodique à calcique) Couleur : blanc, gris, parfois verdâtre ou rougeâtre. Couleur du trait: blanc Note : se distingue des orthoclases par la présence de macles polysynthétiques. Amphiboles Système cristallin : monoclinique (anthophyllite, trémolite, actinote, hornblende) Habitus : cristaux prismatiques, généralement Hornblende aplatis, souvent maclés. NaCa2(Mg, Fe, Al)5[(Si, Al)8 O22](OH)2 Cassure/clivage : deux clivages, parfait selon {001} et bon clivage selon {010}, cassure irrégulière selon les autres orientations. Dureté : 6 Densité : 2,56 Couleur : blanc ou rose Système cristallin : monoclinique Couleur du trait: blanc Habitus : minéral prismatique à sections Notes : minéral le plus commun dans la croûte subhexagonal terrestre, éclat vitreux sur les faces clivées Cassure/clivage : Deux clivages parfaits qui se croisent avec des angles de 56˚et 124˚, cassure Feldspaths calco-alcalins ou plagioclases irrégulière ou esquilleuse. Na(AlSi3O8) albite Ca(Al2Si2O8) anorthite Dureté : 6 Densité : 3,0 à 3,4, selon la teneur en Fe Couleur : vert foncé à brun foncé Couleur du trait: blanc à gris verdâtre. Notes : minéral noir abondant, prismatique, hexagonal en section et portant deux clivages à 120˚ Système cristallin : triclinique Habitus : cristaux tabulaires souvent clivés. Cassure/clivage : deux clivages, parfait selon {001} et bon clivage selon {010}, cassure irrégulière selon Sections montrant les différences entre les clivages les autres orientations. des pyroxènes et des amphiboles. GLQ-1100 Géologie générale page 19 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux Pyroxènes Dureté : 2,5 (Diopside, augite, enstatite, hypersthène) Densité : 2,8 – 2,9 Augite Ca(Mg, Fe, Al)(Al, Si)2O6 Couleur : incolore, brunâtre en amas. Couleur du trait: blanc Notes : minéral se débitant en lamelles minces et brillantes, très commun dans les roches quartzo- feldspathiques et certains sables. Biotite Système cristallin : monoclinique K(Fe, Mg)3[AlSi3O10](OH,F)2 Habitus : Petits cristaux prismatiques Cassure/clivage : Deux clivages parfaits qui se croisent avec des angles de 93˚, cassure irrégulière. Dureté : 5 - 6 Système cristallin : monoclinique Densité : 3,25 à 3,55 selon la teneur en Fe Habitus : cristaux lamellaires de forme subhexagonale Couleur : incolore, vert ou noir selon la teneur en Fe Cassure/clivage : 1 clivage basal parfait, cassure Couleur du trait: blanc à gris verdâtre. irrégulière selon les autres orientations. Note : Les sections montrent 2 clivages presque à Dureté : 2,5 90˚ l'un de l'autre. Densité : 2,8 – 3,4 Mica Couleur : brun à noir (muscovite, phlogopite, biotite) Couleur du trait: blanc à brunâtre Muscovite KAl2[AlSi3O10](OH,F)2 Notes : minéral se débitant en lamelles minces, brillantes et noires, commun. Olivine (péridot) (Mg, Fe)2 (SiO4) Système cristallin : monoclinique Habitus : cristaux lamellaires de forme subhexagonale Cassure/clivage : 1 clivage basal parfait, cassure irrégulière selon les autres orientations. GLQ-1100 Géologie générale page 20 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux Système cristallin : Orthorhombique Pyrite Habitus : cristaux bien formés rares, agrégats FeS2 granulaires souvent très altérés. Cassure/clivage : un seul plan de clivage, cassure irrégulière dans les autres orientations. Dureté : 6,5 Densité : 3,22 (forstérite) à 4,39 (fayalite) Couleur : communément vert Système cristallin : cubique Couleur du trait: blanc Habitus : Cristaux cubiques. Notes : minéral caractéristique des roches basiques Cassure/clivage : pas de plan de clivage, la cassure et ultrabasiques souvent altérées en serpentine avec est irrégulière. rouille dans les fissures. Dureté : 6 – 6,5 Calcite CaCO3 Densité : 5,02 Couleur : jaune laiton, éclat métallique. Couleur du trait : noir verdâtre à noir brunâtre Notes : contrairement à l'or qui s'aplatit, la pyrite se désagrège en poudre noirâtre. Ce minéral abondant est généralement nuisible lorsqu'il se retrouve dans du béton ou dans un simple remblai, à cause de la réaction gonflante qui se produit durant son oxydation et son altération en gypse. Il faut donc Système cristallin : rhomboédrique éviter sa présence dans les agrégats utilisés pour le béton et il faut limiter dans présence dans les Habitus : scalénoèdre et rhomboèdre fréquents, les remblais exposés à l'air. cristaux brisés sont des rhomboèdres. Cassure/clivage : Trois clivages parfaits avec angle de 75˚ entre deux plans de clivage. Dureté : 3 Densité : 2,71 Couleur : incolore, blanc laiteux ou couleur variée Couleur du trait: blanc Notes : les clivages parfaits, la réactivité avec HCl, la biréfringence des cristaux transparents et la faible dureté sont des caractéristiques de ce minéral. GLQ-1100 Géologie générale page 21 © Pierre Bédard – École Polytechnique 02 Cristaux et minéraux Pyrrhotite Gypse Pyrrhotite : Fe1-xS CaSO4. 2H2O Système cristallin : monoclinique (pseudo- Système cristallin : monoclinique hexagonal) Habitus : les cristaux sont rares, efflorescences Habitus : Massif, rarement en cristaux en forme de blanches sur le béton ou les roches où il se forme. plaquettes hexagonales. Cassure/clivage : Deux plans de clivage , cassure Cassure/clivage : pas de plan de clivage, la cassure irrégulière dans les autres orientations et cassure est irrégulière. esquilleuse pour certaines variétés fibreuses. Dureté : 4 Dureté : 2 Densité : 5 Densité : 2,32 Couleur : jaune laiton, éclat métallique. Couleur : incolore, blanc ou couleur pastel variée Couleur du trait: noir Couleur du trait: blanc Notes : contrairement à l'or qui s'aplatit, la Notes : Lorsque ce minéral est primaire et forme un pyrrhotite se désagrège en poudre noirâtre. La gisement il peut être associé à des problèmes reliés à pyrrhotite se distingue de la pyrite par sa sa solubilité : subsidence, effondrement de toit de susceptibilité magnétique et sa moins grande dureté. caverne. Lorsque ce minéral se présente sous forme Comme ce minéral est plus réactif que la pyrite, les de minéral secondaire, il peut être associé à un problèmes de gonflements causés par son oxydation problème de gonflement qui peut causer l'éclatement et sa transformation en gypse sont encore plus du béton ou le soulèvement d'un remblai. sévères que dans le cas de la pyrite.