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LES MINERAUX

1 GENERALITES

Un minéral est une partie homogène d’une roche. Sa composition chimique est toujours la même.
1.1 Définition d’une roche
On appelle roche tout matériau de l'écorce terrestre, le plus souvent solide, mais qui peut être liquide ou gazeux.
1.2 Définition du minéral
Un minéral est un corps naturel ayant une composition chimique et des propriétés physiques bien définies.

2 ETAT CRISTALLIN DU MINERAL

Un minéral à l’état cristallin, qui a donc cristallisé, est composé d’un ou de plusieurs individus cristallins. On parle de grains pour les individus de forme quelconque (xénomorphes) et de cristaux pour les individus de forme géométrique bien définie avec des faces (forme polyédrique : automorphes).

2.1 Réseau cristallin
Le milieu cristallin est un état ordonné de la matière dans lequel il y a arrangement régulier et symétrique des atomes. A l’opposé, il y a des verres pour lesquels il n’y a pas d’arrangement des atomes. Dans les cristaux, l’arrangement des atomes est tripériodique, c’est à dire qu’il y a répétition d’un volume élémentaire (à une échelle atomique) appelé maille élémentaire dans les trois directions de l’espace. Cette répétition constitue le réseau cristallin.
2.2 Maille cristalline
La maille cristalline à la forme d'un polyèdre régulier dans lequel les atomes occupent des positions bien définies (centres, sommets etc.…).
2.3 Systèmes cristallins et solides primitifs
Dans la nature, les minéraux ne cristallisent que selon 7 systèmes cristallins possibles, c’est-à-dire par agencement de 7 types de maille cristalline élémentaire ou polyèdres. Les polyèdres constituent ce que l’on appelle les solides primitifs des 7 systèmes cristallins.Ce sont les systèmes :
* Cubique : cube
* Quadratique : prisme droit à base carrée
* Orthorhombique : prisme droit à base rectangulaire
* Hexagonal : prisme droit à base hexagonale ou losangique régulière (angles à 60° et 120°)
* Rhomboédrique : parallélépipède avec 6 faces losangiques identiques
* Monoclinique : prisme oblique à base rectangulaire
* Triclinique : prisme oblique à base parallélogramme quelconque
Chaque solide primitif est caractérisé par trois arêtes a, b, c orientées selon les trois directions de l’espace Ox, Oy, Oz et par les angles a, b, g entre les 3 arêtes. Les formes des cristaux naturels sont beaucoup plus variées mais elles sont toutes dérivées de ces 7 systèmes élémentaires.
2.4 Les éléments de symétrie
Chaque solide primitif possède des éléments de symétrie caractéristiques du système cristallin qu'il définit. Il existe trois catégories d’éléments :
* Le centre de symétrie, C Un solide admet un centre de symétrie si à tout point correspond un symétrique par rapport à ce centre.
* Le plan de symétrie ou miroir, M Un solide admet un miroir si à tout point A du solide correspond un point A’ situé sur la perpendiculaire de A au miroir et à distance égale de l'autre côté du plan.
* L’axe de symétrie Un solide admet un axe de symétrie d'ordre n, s’il se superpose à lui-même par une rotation de 2p/n autour de cet axe. Il existe des axes de symétrie d'ordre pair (n = 2,4,6) ou impair (n =3).
Exemple du cube:
1 centre
3 axes d'ordre 4 et 3 miroirs associés
4 axes d'ordre 3
6 axes d'ordre 2 et 6 miroirs associés

3 DETERMINATION DU SYSTEME CRISTALLIN DES CRISTAUX

Lorsqu’un minéral se présente sous forme de cristaux, on peut déterminer son système cristallin. Ce dernier est utile car il constitue l’un des premiers critères de reconnaissance d’un minéral.

3.1 Le cristal et sa maille cristalline
Un cristal d’une espèce minérale bien définie, quelque soit sa forme, est toujours issu de la répétition dans les trois directions de l’espace de la même maille cristalline. Les éléments de symétrie d’un cristal sont ceux de sa maille. Ce sont les conditions physico-chimiques régnant lors de la croissance du cristal qui influencent sa forme et le développement relatif de ses faces. Les angles entre les faces du cristal seront donc constants et seront déterminés par la maille cristalline.

3.2 Les troncatures
Un cristal qui se développe sans contraintes, peut prendre la forme du volume primitif. Néanmoins, il a souvent une forme polyédrique plus complexe qui dérive par troncatures apparentes du volume primitif. Une troncature correspond au développement d’une face plane à l’emplacement d’une arête ou d’un sommet du volume primitif, au cours de la croissance du cristal. Lorsque les troncatures sont simples, le cristal conserve l’ensemble des éléments de symétrie du volume primitif. Par exemple, la croissance d’un cristal dont le volume primitif est un cube peut donner un octaèdre. Celui-ci est obtenu par troncatures apparentes des sommets du cube ou des arêtes. L’octaèdre aura les mêmes éléments de symétrie que le cube.

4 LES PROPRIETES PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES MINERAUX

Tout minéral possède des propriétés physiques et chimiques qui lui sont propres et qui permettent de le caractériser. Ces propriétés constituent des critères de détermination assez simples dans l’ensemble à mettre en pratique et donc fort utiles dans la reconnaissance des minéraux.

Ces propriétés sont la morphologie, la dureté, la cassure, le clivage, la couleur, la trace, la transparence, l’éclat, la densité, la solubilité, la luminescence, le magnétisme, la conductivité électrique et la radioactivité.

4.1 la dureté
Elle est basée sur la structure atomique des minéraux. Elle dépend donc de la cohésion des atomes, de leur taille et de leur densité de répartition (distance entre chaque atome).
La dureté d’un minéral est la résistance qu’il offre à la pénétration d’un autre corps ou à la destruction mécanique de sa structure.
Il existe deux types d’échelle de dureté :
* les échelles absolues (en kg/cm2), par exemple l’échelle de Rosiwal ;
* les échelles relatives ou échelles comparatives, la plus connue est l’échelle de Mohs.
L’échelle de Mohs comporte dix degrés relatifs à dix minéraux index de dureté 1 à 10, dans l’ordre de dureté croissante : Talc, Gypse, Calcite, Fluorine, Apatite, Orthose, Quartz, Topaze, Corindon, Diamant. Pour classer les minéraux simplement, on utilise une autre échelle comparative composée d’outils facilement disponibles que l’on peut rayer en fonction de la dureté (d) : ongle d>2, cuivre d>3, couteau d>5, plaque de verre d>6.
4.2 la cassure, le clivage
La cassure doit être évaluée sur un individu cristallin. Sous l’effet d’un choc, l’individu a tendance à se casser selon une famille de plans parallèles de moindre résistance appelés plans de clivages. Le clivage est aussi la propriété de l’individu à se défaire selon des directions déterminées. Un cristal peut présenter plusieurs familles de plans de clivages faisant entre elles des angles constants. Le clivage d’un cristal peut conduire à une forme polyédrique nouvelle.
Il existe cinq types de clivage :
• excellent : le minéral se clive en fines lamelles;
• très bon : le minéral se clive en forme géométrique;
• bon : les plans sont moins visibles et imparfaitement plat;
• imparfait : les plans de séparation sont irréguliers;
• très imparfait : il n’y a pas de plan de séparation mais une cassure irrégulière.
4.3 la morphologie
Premier cas : les minéraux se présentent souvent dans la nature sous forme de polyèdres qui permettent de retrouver la maille cristalline. La forme des cristaux est alors cubique, en prisme, aciculaire, fibreuse, en tablettes, en tonnelet... Certains minéraux présentent des macles. Une macle est un jumelage par accolement ou interpénétration de deux cristaux de même forme selon des lois géométriques bien précises.
Deuxième cas : certains minéraux peuvent d’ailleurs ne pas cristalliser : ils sont dits amorphes.
Troisième cas : il arrive néanmoins que les minéraux soient représentés par des individus cristallins de petites tailles ou de géométrie mal définie malgré une organisation atomique bien présente. On s’intéresse alors à la forme générale du minéral, c’est à dire à l’ensemble ou agrégat d’individus cristallins qui le compose. Les agrégats peuvent correspondre à une seule ou plusieurs espèces minérales, on parle d’agrégats monogénique ou polygénique. Les agrégats peuvent être granuleux, filamenteux, en écailles, oolitiques, en concrétions, dendritiques, en stalactites…
4.4 la couleur
Ce n’est pas un critère de détermination fiable. En effet, la couleur varie souvent au sein d’une même espèce minérale (exemple la fluorine qui peut être pratiquement de toutes les couleurs). On observe des variations de tons, voire des changements de couleur. Cependant certaines espèces minérales ont une couleur typique.
On distingue quatre catégories de minéraux d’après leur couleur :
• les minéraux incolores : les rayons lumineux traversent sans absorption;
• les minéraux colorés : la coloration est due à la présence de métaux dans la structure cristalline qui absorbent une partie du spectre lumineux ;
• les minéraux à coloration empruntée : la coloration est liée à l’incorporation d’impuretés, de défauts de la structure cristalline ou d’inclusions qui absorbent une partie du rayonnement (changements de couleur pour un même minéral);
• les minéraux apparemment colorés : des effets colorés (irisation, scintillement, opalisation) se produisent dans le cristal par suite de réflexion ou de réfraction sur des plans de clivage ou de fracture du minéral.
De manière générale, certaines couleurs correspondent à la présence d’un type de métal. Exemples : Cu : bleu ou vert (azurite, malachite, dioptase) ; Mn : rose ou rouge (rhodochrosite, rhodonite, purpurite) ; U : jaune (Autunite, tobernite, uranotile) ; Co : rose (erythrite, roselite).
4.5 la couleur de trait (trace)
La trace est obtenue en rayant le minéral sur une plaque de porcelaine. La rayure donne une poudre qui peut être caractéristique. La trace est un moyen simple pour séparer les minéraux à couleur empruntée des minéraux colorés. La couleur de la poudre des minéraux colorés est généralement la même. Par contre, les minéraux à couleur empruntés donnent une poudre blanche ou très peu colorée.
4.6 la transparence
C’est la propriété des minéraux de laisser passer la lumière.
Il existe cinq degrés de transparence :
• transparent : on peut lire à travers une couche épaisse ;
• semi-transparent : lecture non nette ;
• translucide : la lumière traverse le minéral même pour une épaisseur conséquente ;
• non transparent : le minéral ne laisse pas passer la lumière sauf en couche très mince ;
• opaque : le minéral ne laisse jamais traverser la lumière (même en lame mince).
4.7 l’éclat
L’éclat est la propriété des minéraux à réfléchir la lumière. L’éclat dépend de l’indice de réfraction, de l’absorption de la lumière et de la rugosité de la surface.
On distingue 7 types d’éclat :
• métallique : aspect métallisé des surfaces cristallines;
• adamantin : très forte réfraction de la lumière, typique du diamant;
• vitreux : caractéristique des minéraux transparents, aspect vitreux;
• gras :aspect huilé d’une surface, lié à l’inégalité de surface;
• nacré : caractéristique des minéraux semi-transparents; • soyeux : relatif au minéraux fibreux;
• mat : minéraux d’apparence terreuse.
4.8 la masse volumique, la densité
La masse volumique est la masse de l'unité de volume s'exprimant en g/cm3 La densité est le rapport entre la masse d'un certain volume de minéral et la masse d'un même volume d'eau. C'est une valeur sans unité. Ces valeurs dépendent de la composition chimique du minéral et de son arrangement cristallin.
4.9. la luminescence
La luminescence est la transformation d’un type d’énergie (mécanique, chimique, thermique ou rayonnement invisible) en énergie lumineuse pour certaines espèces.
Il y a trois types de luminescence :
• la triboluminescence produite par un choc mécanique;
• la thermoluminescence produite par un apport thermique;
• la photoluminescence en réaction à un rayonnement :
- fluorescence : la luminescence ne dure que le temps d’exposition;
- phosphorescence : la luminescence dure après le temps d’exposition.
4.10 la solubilité
C’est la propriété d’un minéral à se dissoudre dans l’eau ou dans un acide.
4.11 le magnétisme
C’est la capacité de certain minéraux riches en fer à réagir en présence d’un aimant.
4.12 la radioactivité
Les minéraux qui contiennent de l’uranium, du thorium ou du radium émettent un rayonnement invisible : alpha, bêta ou gamma. On mesure la radioactivité à l'aide d'un compteur Geiger-Muller.
4.13 les propriétés chimiques
Certain minéraux ne sont pas stables aux conditions de température et de pression de la surface. D’autres présentent dans leur structure cristalline, un pourcentage d’eau important qu’ils sont susceptibles de perdre lors de changements de paramètres physiques (température, pression).

5 CLASSIFICATION DES MINERAUX

Les minéraux sont classés à partir d’observations macroscopiques desquelles émanent des caractéristiques morphologiques ou structurales. Cependant, les critères de la classification ont évolué en même temps que la minéralogie. En effet, l’évolution technologique a permis de changer d’échelle d’observations et actuellement la classification des minéraux s’appuie sur des critères internes : composition chimique, structure atomique.

Il existe neuf classes de minéraux :

• I - les éléments ;

• II - les sulfures ;

• III - les halogénures ;

• IV - les oxydes et hydroxydes ;

• V - les nitrates, carbonates, les borates ;

• VI - les sulfates, chromates, molybdates, wolframate ;

• VII - les phosphates, arséniates, vanadates ;

• VIII - les silicates ;

• IX - les minéraux organiques.