Dans notre blog précédent, nous avons parlé des propriétés optiques qui font des roches et des cristaux un spectacle merveilleux à contempler. Nous avons appris que la couleur, le lustre, la transparence et le comportement de la lumière sont tous des facteurs essentiels pour déterminer la valeur réelle d'une pierre précieuse.
Attirons maintenant notre attention sur un autre sujet de base de la gemmologie : leur structure. Cela fait référence à la forme interne et externe d'un cristal. La structure est importante car elle définit notre expérience de la manipulation et de l'utilisation d'un cristal à des fins très diverses.
Allons-y !
Que sont les solides cristallins et non cristallins ?
La plupart des minéraux sont cristallins . Cela signifie qu'ils sont des cristaux solides avec un arrangement structuré d'atomes. Lorsqu'un minéral est un cristal, il a une forme géométrique et des surfaces planes. Les solides cristallins sont classés en isotropes et anisotropes.
Isotrope – Ces minéraux ont des arrangements atomiques symétriques. Ils sont constitués d'atomes disposés selon un motif cubique. La fluorite, le diamant, l'or, la pyrite, la sodalite et le spinelle sont des exemples de minéraux isotropes.
Anisotrope – L’autre côté du spectre cristallin est constitué de minéraux anisotropes dont les propriétés varient dans différentes directions. Leurs cristaux ne sont peut-être pas aussi symétriques que les cristaux cubiques de fluorite, mais leur structure cristalline est néanmoins symétrique. La barytine, la topaze et l’olivine en sont des exemples, avec des cristaux longs et tabulaires bien formés.
Il existe également des substances sans forme cristalline définie en raison de l'absence de structure atomique fixe. Ces substances minérales sont appelées solides non cristallins ou amorphes . Parmi les minéraux amorphes les plus courants, on trouve l'obsidienne, l'opale et le jais.
La plupart des solides amorphes sont isotropes, ils présentent donc les mêmes propriétés physiques et optiques dans toutes les directions.
Comment se forment les cristaux ?
Vous êtes-vous déjà demandé comment vos magnifiques pierres précieuses apparaissent dans la nature ? La formation des cristaux se produit lorsque les atomes qui les constituent sont réunis et s'organisent selon un motif répétitif. Un cristal se développe à partir d'une minuscule molécule jusqu'à sa forme visible finale.
Le processus de croissance est influencé par une variété d'éléments et de paramètres environnementaux. Mais pour que la croissance ait lieu, ces 3 mécanismes doivent être présents :
- Cristaux se développant avec le refroidissement du magma
- Cristaux précipités à partir de l'eau
- Des cristaux se développent à la suite de réactions chimiques
Vous trouverez ci-dessous quelques types de cristaux minéraux en fonction des environnements dans lesquels ils se développent :
Igné
Presque tous les minéraux qui se forment dans les roches ignées sont des silicates. En effet, les magmas qui créent les roches ignées sont principalement constitués d'oxygène et de silicium.
Les autres éléments présents dans cet environnement sont l'aluminium, le calcium, le magnésium, le fer, le sodium et le potassium. Dans des conditions favorables, les cristaux formés dans les roches ignées peuvent développer des faces cristallines proéminentes.
Lorsque des minéraux cristallisent simultanément et qu'ils ont suffisamment de place pour se développer en cristaux individuels, ils peuvent former une mosaïque de couleurs. C'est le cas du feldspath et de l'olivine.
Certains magmas refroidissent lentement, ce qui fait que les cristaux se développent jusqu'à former de gros spécimens. Les plus gros cristaux du monde ont été extraits de pegmatites (roches ignées à gros grains). Un exemple en est le cristal de quartz découvert au Brésil qui pesait plus de 5 tonnes.
Certains cristaux peuvent être si petits qu'ils sont invisibles à l'œil nu. Les cristaux ignés peuvent varier considérablement en raison des différences dans les processus ignés.
Minéraux aqueux
Du mot aqueux, ces minéraux précipitent à partir de l'eau chaude qui coule sous terre, de l'évaporation d'un lac ou d'une mer intérieure, ou directement de l'eau de mer. Cette précipitation se produit en raison de changements dans la composition chimique, la température, la pression et les niveaux de pH.
Les cristaux aqueux comme la calcite, le gypse et l'halite sont généralement produits dans les lacs intérieurs ou les mers. Parmi ces endroits, on peut citer la mer Morte près de la Jordanie et d'Israël. Les géodes peuvent également se former à partir de solutions aqueuses.
Minéraux hydrothermaux
Ces minéraux (par exemple les oxydes et les sulfures) sont produits sous terre lorsque les eaux souterraines chaudes déposent des minéraux et forment un gisement de minerai. Les minéraux peuvent être trouvés dans des veines, des veines ou dans toute la roche.
Les minéraux hydrothermaux sont souvent de couleurs vives car ils contiennent des métaux de transition . Ils ont un éclat métallique et des cristaux symétriques. L'azurite bleue, la malachite verte, la sphalérite et la pyrite en sont des exemples.
Les 6 systèmes cristallins
Les minéraux cristallins se développent dans l'un des 6 principaux systèmes cristallins. Ces systèmes déterminent la disposition ordonnée des atomes, des ions ou des molécules dans le cristal.
Chaque système possède les facteurs suivants : le nombre d'axes (la direction entre les côtés), les longueurs des axes et les angles auxquels les axes se rencontrent.
Les systèmes cristallins sont :
1. Cubique – Forme composée de 6 faces carrées à 90° les unes par rapport aux autres et de 3 axes. Le diamant, le grenat et le spinelle ont une structure cristalline cubique.
2. Tétragonal - Un cristal tétragonal possède 3 axes qui se rencontrent à 90°. L'apophyllite, le rutile et le zircon ont un système cristallin tétragonal.
3. Orthorhombique - Ce système possède 3 axes qui se rencontrent tous à 90°. Les axes ont des longueurs variables. Les exemples sont l'alexandrite, le chrysobéryl, le péridot, la topaze et la tanzanite.
4. Hexagonal - Le système cristallin hexagonal possède 4 axes, dont 3 sont de longueur égale et se coupent à 120°. Son axe vertical ou axe C est plus long et rencontre les autres axes plus courts à 90°. L'apatite, l'aigue-marine, le béryl, l'émeraude et la morganite ont un cristal hexagonal.
5. Monoclinique - Deux de ses axes, à savoir A et C, se rencontrent à 90°, à l'exception de l'axe B. Chacun de ses axes a des longueurs différentes (imaginez une boîte d'allumettes qui s'incline d'un côté). L'azurite, la lazulite, la jadéite, la malachite et la staurolite se forment dans le système monoclinique.
6. Triclinique - dans le système triclinique, tous les axes ont des longueurs différentes. Aucun d'entre eux ne se coupe à 90°. Imaginez une boîte d'allumettes qui est inclinée sur 2 côtés. Des exemples de ces minéraux sont l'amazonite, la cyanite, la labradorite et la turquoise.
Que sont les habitudes des cristaux ?
Si un système cristallin fait référence aux motifs répétitifs des atomes dans un cristal, une habitude cristalline définit la forme extérieure d'un minéral ou d'un groupe de minéraux. Une habitude peut être influencée par le système cristallin et l'environnement de croissance d'un minéral.
Ces habitudes cristallines ont été nommées par les minéralogistes pour faciliter la description :
- Aciculaire - En forme d'aiguille
- Druzy – Petits cristaux recouvrant une surface
- Fibreux - Présentant des fibres filiformes
- Coxcomb - Cristaux feuilletés rapprochés
- Tabulaire - Aplati ou en forme de tablette
- Plumeux - Plumeux
- Sphénoïde - En forme de coin
- Mamillaire - Contenant de nombreuses surfaces convexes légèrement arrondies
- Euédriques – Cristaux à faces bien formées
Quels facteurs affectent la taille et la forme des cristaux ?
Les facteurs les plus importants qui contrôlent la taille et la qualité globale d'un cristal sont le temps, la température, l'abondance d'éléments importants et la présence/absence d'un flux. Ces facteurs interagissent ensemble pour former un grand cristal parfaitement formé.
1. Le temps - La durée de croissance d'un cristal détermine sa taille. Un temps de croissance plus long signifie qu'un cristal peut devenir plus grand et mieux organisé, car davantage d'atomes seront transférés au cristal en croissance et s'organiseront selon un motif régulier.
C'est ce qui se passe avec les roches ignées intrusives. Leurs grains sont plus grossiers que ceux des roches ignées extrusives car elles refroidissent lentement sous terre.
2. Température – La thermodynamique 101 nous apprend que les cristaux produits à haute température ont tendance à avoir des structures atomiques plus simples que les cristaux qui se développent à basse température. C'est une autre raison pour laquelle on trouve des cristaux de grande taille et bien formés dans des environnements à haute température.
3. Éléments – Même si le temps et la température sont propices, un minéral ne peut pas se transformer en un gros cristal si les éléments nécessaires ne sont pas présents.
En moyenne, une roche a besoin d'une douzaine d'éléments pour se former. Les minéraux constitués de ces éléments sont généralement plus gros que ceux constitués d'éléments plus rares.
4. Présence/absence d'un flux - La diffusion des atomes à travers le solide est lente. De plus, les atomes peuvent ne pas migrer aussi rapidement vers les zones où se produit la croissance cristalline. Mais lorsqu'un fluide hydrothermal est présent, il peut agir comme un flux qui transporte les atomes vers les points de cristallisation.
Imperfections du cristal
Avez-vous remarqué que certains cristaux bruts ont des formes étranges que vous ne pouvez tout simplement pas expliquer ?
Certains minéraux sont constitués de 2 cristaux ou plus, l'un légèrement plus gros que l'autre et chacun situé dans une position étrange. D'autres ont une forme encore plus obscure et indiscernable. C'est un véritable obstacle pour certains collectionneurs, mais d'autres aiment quand même leurs spécimens malgré leur forme.
Les minéraux ne se développent pas toujours dans des conditions idéales, ce qui entraîne la formation de cristaux imparfaits. Deux imperfections courantes apparaissent pendant ou après la formation des cristaux :
1. Zonage – Le zonage des cristaux est causé par des changements de température ou de pression pendant la cristallisation. Il peut également se produire en raison de changements dans la composition du fluide ou du magma pendant le processus de croissance cristalline.
Souvent, la zonation se forme sous forme d'anneaux de croissance autour du germe cristallin d'origine. D'autres fois, elle est plus complexe et son apparition peut être difficile à expliquer.
Le zonage est assez courant dans plusieurs minéraux, mais il peut être invisible à l'œil nu. Certains minéraux le présentent en grandes dimensions et de couleurs différentes. De nombreuses zones ont des compositions différentes et donc des propriétés optiques différentes. Le zonage se produit souvent dans les cristaux de fluorite et de tourmaline.
2. Maclage – Dans un contexte idéal, les atomes d'un cristal sont disposés dans un ordre répétitif dans toutes les parties du cristal. Mais cela ne se produit pas tout le temps.
Certains cristaux ont des orientations atomiques différentes, ce qui affecte la forme caractéristique d'un cristal. Ainsi, des macles de contact et de pénétration se forment.
Voici les causes habituelles de gémellité :
Pendant la croissance - À mesure qu'un cristal grandit, des changements magmatiques tels que la pression, la température et le débit peuvent se produire, modifiant l'orientation d'un cristal.
Lorsqu'ils sont ajoutés à l'extérieur d'un cristal déjà existant, les nouveaux atomes sont déplacés et tous les autres nouveaux atomes sont disposés dans une orientation différente de celle du cristal d'origine. Cela conduit à la formation d'un nouveau cristal qui est adjacent au cristal d'origine.
Le nouveau cristal qui en résulte est appelé jumeau de contact si un plan commun d'atomes est correctement orienté pour les cristaux anciens et nouveaux. Il s'agit d'un jumeau de pénétration si un volume commun d'atomes est correctement orienté pour les cristaux anciens et nouveaux.
Transformation – Elle se produit lorsque la disposition atomique d'un cristal adulte est modifiée en raison de changements de température et de pression. Par exemple, un cristal de quartz hexagonal est appelé bêta-quartz à une température de 573 °C et plus.
Si la température baisse, le quartz bêta se transformera en quartz alpha trigonal. Et une maclation se produira lors de cette transformation.
Déformation - Lorsqu'un cristal complètement développé est soumis à une contrainte ou à une pression, des macles de déformation se produisent. La pression déforme le réseau cristallin, ce qui entraîne une orientation différente des domaines cristallins. Ce phénomène de macles est courant dans la calcite.
Le maclage se présente sous différentes formes. Il est visible dans certains minéraux, mais dans d'autres, il ne peut être détecté qu'à l'aide d'un microscope. Dans d'autres cas, le maclage ne peut pas être observé, même à l'aide d'un appareil plus perfectionné.
Sources:
Cristallographie. (2019, 23 juin). Geo.libretexts.org. Consulté à l'adresse https://geo.libretexts.org/Bookshelves/Geology/Book%3A_Gemology/05%3A_Crystallography
Cristaux et cristallisation. (nd). Opengeology.org. Consulté à l'adresse https://opengeology.org/Mineralogy/4-crystals-and-crystallization/#444_Crystal_Defects
Les couleurs des pierres précieuses. (sd). Scifun.org. Consulté à l'adresse http://www.scifun.org/chemweek/ColorOfGemstones2017.pdf
Boothe, R. (17 juin 2019). Comment les géodes se forment dans le Middle West. Moment of Science. Consulté à l'adresse https://indianapublicmedia.org/amomentofscience/geodes-form-middle-west.php
King, H. (nd). Habitudes cristallines et formes de minéraux et de pierres précieuses. Geology.com. Consulté à l'adresse https://geology.com/minerals/crystal-habit/
