minéral
Solide naturel le plus souvent inorganique composant les roches terrestres, se présentant généralement sous une forme cristalline.
L’étude des minéraux est le champ de la minéralogie.
1. Principaux types de minéraux
De manière générale, les minéraux sont des corps inorganiques naturels qui présentent une composition chimique précise et une structure atomique ordonnée. Ils sont très nombreux sur Terre : il en existe plus de 4 400 espèces.
Les minéraux les plus courants sont composés d’oxygène et de silice.
Quelques rares minéraux possèdent une structure cristalline non ordonnée (l’opale, par exemple). Dans les conditions de température et de pression normales (0 °C, pression atmosphérique), la plupart des minéraux se trouvent à l’état solide, sous une forme cristalline (forme la plus stable des minéraux solides) ; le mercure est l’un des rares minéraux à se trouver à l’état liquide à température ambiante.
Les minéraux sont présents sous trois états : gazeux (dans les fumerolles), liquides (dans les magmas), solides (dans les roches). Certains minéraux constitués d’un seul type d’atomes (corps purs simples) peuvent cependant exister sous deux (ou plusieurs) formes minérales (réseaux cristallins différents) : on parle alors d’allotropie ; par exemple, les formes allotropiques les plus courantes du carbone sont le diamant et le graphite.
Ces minéraux peuvent être des éléments chimiques purs ou des matériaux constitués de plusieurs éléments, de tailles diverses selon leurs conditions de formation, et certains ont une grande valeur marchande (or, diamant). Chaque minéral a également une couleur caractéristique : saphir (bleu), rubis (rouge), topaze (jaune), émeraude (vert), améthyste (violet), or (jaune), etc. (→ pierres précieuses et fines)
2. Nomenclature des minéraux
La nomenclature des minéraux a été établie au xixe siècle par les minéralogistes et les géologues selon les critères suivants :
• la présentation d’une propriété caractéristique (par exemple la magnétite, qui présente des propriétés magnétiques) ;
• le nom de l’élément chimique dominant (par exemple la calcite, dont l’élément chimique dominant est le calcium) ;
• le nom d’une personne célèbre (par exemple la goethite, minéral dédié au poète et philosophe allemand Johann Wolfgang von Goethe) ;
• la couleur du minéral (par exemple l’olivine [→ péridot], dont le nom dérive de sa couleur vert olive) ;
• le nom d’une localité où a été découvert le minéral (par exemple la bauxite, découverte sur la commune des Baux-de-Provence).
3. Identification et propriétés des minéraux
Tout minéral possède des propriétés physiques et chimiques caractéristiques qui permettent de le distinguer des autres. Ces propriétés sont très utiles pour reconnaître et identifier rapidement un minéral. Pour cela, les minéralogistes disposent de toute une palette d’outils d’analyse chimique et physique permettant l’étude de :
• sa structure cristalline à l'état solide à l'aide de la diffraction des rayons X ;
• sa composition et de ses propriétés chimiques (réactivité avec les acides, coloration de flamme, photoluminescence, etc.) ;
• ses propriétés mécaniques (densité, dureté, clivage, etc.) ;
• ses propriétés optiques (couleur, transparence, indice de réfraction, etc.) ;
• ses propriétés électriques et thermiques (conductivité, résistance, etc.).
4. Formation des minéraux
Dans les premiers temps de l’Univers, il y a environ 13,8 milliards d’années, celui-ci était dépourvu de minéraux. Il faut attendre la formation d’étoiles et leur explosion en supernovae pour voir apparaître des éléments chimiques susceptibles de former les premiers monocristaux, probablement de diamant et de graphite, les deux formes pures (allotropiques) du carbone, élément relativement abondant dans l’Univers. Mais l'histoire des minéraux commence véritablement avec la formation des planètes rocheuses, comme la Terre qui constitue le terrain d’étude privilégié des minéralogistes.
Toutes les roches de l’écorce terrestre sont composées d’un ou de plusieurs minéraux. Ceux-ci se forment au sein de la croûte terrestre, et leur création dépend des conditions environnementales (conditions de température et de pression). Ainsi, la formation des minéraux a diverses origines :
• une origine magmatique, lorsque les minéraux proviennent du refroidissement du magma, qui peut se produire à différentes vitesses et à différentes profondeurs : en surface dans les laves ou les fumerolles (fer, soufre, olivine), dans les fissures proches de la surface (cas des textures microgrenues), ou bien plus en profondeur (cas du granite et des gabbros) → roche magmatique ;
• une origine hydrothermale, lorsque les minéraux se forment à partir d’un fluide aqueux circulant dans les fissures des roches ; ces fluides, sursaturés en un minéral, précipitent dans des conditions environnementales favorables (changement de température, par exemple) ; les minéraux se déposent alors sur les parois de la roche ; c’est le cas des métaux précieux, comme l’or ou l’argent ;
• une recristallisation, lorsque les minéraux proviennent de la transformation de minéraux existants sous l’effet de changements de conditions environnementales (on parle de métamorphisme) : l’air ou l’eau réagit avec les minéraux peu oxydés pour former des oxydes ou des carbonates ; cela se produit le plus souvent à proximité de la surface, en contact avec l’atmosphère ;
• un changement d’état, lorsqu’une substance gazeuse devient solide ; c’est donc la cristallisation des vapeurs, comme celle du soufre autour des fumerolles des volcans.
5. Classification des minéraux
La classification des minéraux utilisée par l'Association internationale de minéralogie est la classification de Strunz, dénommée ainsi en l’honneur du minéralogiste allemand Karl Hugo Strunz (1910-2006). Cette classification répartit les 4 400 minéraux connus en dix classes (notées en chiffres romains) en fonction de leur composition chimique.
5.1. Éléments natifs (I)
Les éléments natifs sont des minéraux formés d’un seul élément chimique, sans aucune association avec d’autres éléments. La plupart de ces éléments purs sont rares ; ils sont donc peu nombreux (de l’ordre de 80 espèces).
On distingue les éléments natifs avec un fort éclat métallique et une forte densité (or, argent, cuivre, platine, fer, mercure, plomb), les semi-métaux dont l’éclat est variable et qui se caractérisent par une forte densité (antimoine, arsenic, bismuth, tellure), et les non-métaux qui sont peu denses et fragiles (soufre, carbone).
Ces éléments ont joué et jouent toujours un rôle important dans les sociétés humaines.
5.2. Sulfures et sulfosels (II)
Les sulfures et les sulfosels sont des minéraux composés de métaux combinés avec l’élément soufre. Cette classe comprend environ 350 espèces. Les sulfures se forment lorsque le soufre se lie à des métaux ; ce groupe regroupe les antimoniures, les arséniures et les tellures.
Les sulfosels sont des minéraux composés de soufre associé à un ou plusieurs semi-métaux (antimoine, arsenic, bismuth), et lié à des métaux (argent, cuivre, plomb, fer). Les sulfures d’argent et de fer (argentopyrite), ou de cuivre et de fer (bornite) sont des sulfosels. Les sulfosels sont généralement tendres et fragiles.
5.3. Halogénures (III)
Les halogénures sont des minéraux composés de métaux combinés avec des éléments halogènes : chlore, fluor, brome et iode.
Cette classe comprend environ 130 minéraux, où les fluorures sont les minéraux les plus courants ; les chlorures sont peu nombreux, même si le chlorure de sodium (halite) − c’est-à-dire le sel de cuisine (NaCl) − est largement exploité ; les bromures et les iodures sont quant à eux extrêmement rares.
Les halogénures sont généralement fragiles et de faible densité.
5.4. Oxydes et hydroxydes (IV)
Les oxydes et hydroxydes sont des minéraux généralement composés de métaux combinés avec l’élément oxygène ou des groupes hydroxyles.
Cette classe comprend environ 320 minéraux et représente 14 % des espèces minérales connues. Elle regroupe les oxydes simples (cassitérite), les oxydes multiples lorsque plusieurs métaux cohabitent (chromite, avec du fer et du chrome), et les hydroxydes avec des ions hydroxyles.
Les oxydes sont généralement extrêmement durs, contrairement aux hydroxydes. On différencie aussi le groupe des spinelles (cuprite, magnétite), des chrysobéryls pour les oxydes d’aluminium et de béryllium (œil de chat), des corindons pour les oxydes d’aluminium (rubis, saphir), des quartz pour les oxydes de silicium (cristal de roche, améthyste, agate, aventurine, jaspes), et des opales pour les oxydes de silicium hydraté.
5.5. Carbonates et nitrates (V)
Les carbonates et les nitrates sont des minéraux composés de métaux combinés avec les éléments carbone ou azote. Cette classe regroupe environ 300 espèces.
Les carbonates les plus connus sont la calcite, l’aragonite et la dolomite (la calcite et la dolomite représentent à elles seules 2,5 % de la masse de l’écorce terrestre !) Les carbonates sont fragiles et de faible dureté.
On distingue les carbonates basiques (azurite, malachite), le groupe de la calcite (magnésite, sidérite) et celui de l’aragonite (aragonite, cérusite).
Les nitrates sont rares et généralement solubles dans l’eau (→ solution). Sur les 8 espèces répertoriées, les plus connues sont le salpêtre ordinaire ou nitre (KNO3) et le salpêtre du Chili (NaNO3) − également appelé nitratine ou nitronatrite.
5.6. Borates (VI)
Les borates sont des minéraux composés de métaux combinés avec l’élément bore. Ils sont incolores ou blancs, avec un éclat vitreux, et de faible densité.
Les borates les plus connus sont les borates hydratés, comme le borax qui est relativement instable à l’air (il se transforme en tincalconite par déshydratation) ; ces minéraux ont majoritairement un éclat vitreux, ils sont incolores et possèdent de faibles densité et dureté.
5.7. Sulfates, séléniates, tellurates, chromates, molybdates et tungstates (VII)
Les sulfates, les séléniates, les tellurates, les chromates, les molybdates et les tungstates sont des minéraux composés de métaux combinés avec l’élément soufre, sélénium, tellure, chrome, molybdène ou tungstène.
Cette classe, qui compte près de 300 espèces, regroupe principalement des sulfates. On distingue les sulfates anhydres (barytine, anhydrite, anglésite, célestite, crocoïte) et les sulfates hydratés (chalcantite, gypse, mélantérite).
Les sulfates sont fragiles et peu colorés.
5.8. Phosphates, arséniates et vanadates (VIII)
Les phosphates, les arséniates et les vanadates sont des minéraux composés de métaux combinés avec un groupement tétraédrique constitué d’un élément phosphore, arsenic, ou vanadium entouré de quatre atomes d’oxygène.
Cette classe regroupe environ 250 espèces. Les minéraux colorés de phosphates constituent la majorité de cette classe : phosphates de calcium avec fluor et chlore (apatite), phosphates de plomb avec chlore (pyromorphite), etc. Les arséniates sont principalement l’adamite, la mimétite et l’érythrite. Les vanadates sont quant à eux extrêmement rares (on peut citer la vanadinite qui contient du chlore, du plomb et du vanadium).
5.9. Silicates (IX)
Les silicates sont des minéraux composés d’éléments métalliques combinés avec un groupement tétraédrique constitué d’un atome de silicium central entouré de quatre atomes d’oxygène (SiO4).
Les silicates constituent les minéraux les plus nombreux (environ un tiers des minéraux), et forment plus de 90 % des constituants de la croûte terrestre.
Dans la classification cristallochimique, les silicates sont répartis en six classes, en fonction de la disposition des tétraèdres : nésosilicates, sorosilicates (dont le groupe le plus important est celui des cyclosilicates), inosilicates, phyllosilicates, tectosilicates, hétérosilicates.
La silice est uniquement composée de silicium et d’oxygène. Les silicates ont généralement une dureté élevée et un éclat vitreux.
5.10. Composés organiques (X)
La dernière classe de minéraux regroupe des mélanges de composés organiques, tels que les sels d’acides organiques, les hydrocarbures naturels (charbon, pétrole, etc.) qui sont considérés comme des roches et les résines pétrifiées (résines fossiles). L’ambre appartient à cette classe des résines pétrifiées, qui ne comprend qu’une trentaine d’espèces.
Pour en savoir plus, voir les articles chimie organique, chimie minérale.
