Joyaux de cristal
Le quartz
Translucide ou bien noir profond, allongé ou massif, isolé ou en groupe, le quartz est un minéral aux couleurs et aux formes multiples. C'est aussi l'une des multiples facettes de la silice qui est l'un des éléments les plus répandus à la surface de la Terre.
Ce quaderz, qui signifie mauvais minerai en vieil allemand, est souvent appelé cristal de roche. Ce terme fut utilisé dès l'Antiquité pour désigner les variétés de quartz incolores et transparentes qui provenaient des montagnes (écrits de Theophraste vers 300 avant Jésus-Christ ; Pline dans son « Histoire naturelle »). Il était alors considéré comme de la glace constituée d'une eau gelée ! Depuis nos conceptions ont évolué et l'on sait que le quartz se forme à des températures élevées (entre 573 et 1470° C), dans les profondeurs de la Terre.
Ce sont donc de purs joyaux que le Muséum Requien a décidé de mettre en valeur : quartz rose, citrin, améthyste, hyalin ou enfumés...calcédoine, agate, onyx, opale...silex, obsidienne... du Massif Central, des Alpes, du Brésil ou de Madagascar... ce sont de superbes échantillons des collections du Musée, d'autres institutions et de collections privées que l'on peut découvrir.
Au-delà de l'aspect scientifique et de la fascination esthétique, ce voyage cristallographique dévoile aussi les usages industriels, thérapeutiques et artistiques engendrés par ces cristaux d'exception.
Le mot quartz provient d'un mot en vieil allemand, quaderz, qui signifie mauvais minerai. Ce minéral est souvent désigné cristal de roche.
Ce terme fut utilisé dès l'Antiquité pour désigner les variétés de quartz incolores et transparentes qui provenaient des montagnes (écrits de Theophraste vers 300 avant Jésus-Christ ; Pline dans son « Histoire naturelle »). Il était alors considéré comme de la glace constituée d'une eau gelée !
Le quartz est l'une des formes cristallines de la silice (Si O²) de loin la plus répandue dans l'écorce terrestre. Il cristallise en cristaux prismatiques hexagonaux, à faces parfois striées transversalement, et bipyramidés. Il se caractérise par sa dureté importante (7 dans l'échelle de Mohs : il raye l'acier et le verre), sa forte densité (2,65 à température ambiante), sa cassure conchoïdale, son éclat gras et vitreux et l'absence de clivage.
Le quartz existe sous deux formes cristallines différentes : quartz a
et quartz b.
Le quartz a cristallise dans le système rhomboédrique.
Le quartz b
cristallise dans le système hexagonal.
La transition entre les 2 formes se situe à 573° C à la pression atmosphérique. Cette température augmente avec des pressions croissantes. Le quartz a est la forme stable des températures peu élevées (entre 573° C et 870° C), le quartz b celle des températures plus élevées (entre 573° C et 1470° C).
Des formes et des couleurs
En fonction des impuretés ou des inclusions qu'il peut renfermer il peut se présenter sous des couleurs et des aspects extrêmement différents :
COULEURS :
Quartz hyalin (ou cristal de roche) : incolore
Améthyste : violette, à traces de Manganèse et Fer
Citrine : jaune-orangée, à traces d'hydroxyde ferrique (goethite)
Quartz rose : à traces de Manganèse
Quartz rouge « hyacinthe » : contenant de l'oxyde ferrique (hématite)
Quartz enfumé (ou fumé) : à traces d'éléments d'hydrocarbures et d'éléments radioactifs ; soit très clair, soit foncé en passant au noir : quartz morion ou cairngorn (montagne d'Ecosse où se trouvait un important gisement).
INCLUSIONS :
Baguettes de tourmaline, en généralement noires
Aiguilles de rutile (Oxyde de titane) fines comme des cheveux (quartz rutilé ou sagénite ou « cheveux de Vénus »)
Paillettes brillantes de micas ou de chlorite (Aventurine)
Fibres de type amiante donnant un aspect soyeux et des reflets chatoyants (Œil de tigre doré et Œil de chat vert) et bien d'autres minéraux encore, en particulier de l'or natif (Quartz aurifère).
FORMES :
Quartz sceptre : cristaux en forme de capuchon - Quartz à fenêtres : croissance privilégiée des arêtes et sommets - Quartz peigne (ou cristaux vrillés) : plusieurs sous individus ayant plus ou moins fusionnés Quartz aciculaires : cristaux allongés selon un rapport largeur/longueur de 1/50
Les cristaux de quartz
Les cristaux sont parfois assemblés en groupe d'individus : on parle de macle. Leur orientation est régie par des lois définies complexes. Il existe des macles de contact et des macles de pénétration. Pour le quartz, un type de macles de contact existent : Macle de la Gardette ou du Japon : les cristaux sont en contact par des faces primatiques coplanaires sous un angle presque droit. Les macles de pénétration sont au nombre de deux pour le quartz : Macle du Dauphiné : les cristaux associés sont agencés dans le même sens de rotation : soit à droite (dextrogyre), soit à gauche (lévogyre). Macle du Brésil : elle est fréquente ; c'est la combinaison d'un cristal dextrogyre et d'un cristal lévogyre.
Les inclusions
Les cristaux de quartz contiennent fréquemment des inclusions solides,
liquides ou gazeuses. inclusions solides : elles correspondent à un
minéral antérieur au quartz et englobé par lui. inclusions
liquides-gazeuses : elles peuvent être contemporaines de la formation
des cristaux et représentative du milieu générateur, soit d’origine
secondaire, soulignant ainsi des fractures cicatrisées du minéral. Dans
le cas d’inclusions solides on parle de quartz-fantôme.
Les gisements de quartz
Le quartz se trouve dans les roches acides du cortège des roches éruptives : granites, granodiorites, monzonites, syénites, diorites. Il est présent aussi dans des formations filoniennes hydrothermales, dans les roches métamorphiques et parfois même dans les roches sédimentaires.
Ainsi le quartz rose est associé à l'intrusion de massifs granitiques tandis que l'améthyste, la citrine, l'agate et l'opale sont associées à des laves ; cette dernière est aussi présente dans les filons hydrothermaux.
En fonction de la température de formation, l'aspect du quartz est variable.
Le quartz des Alpes
Le quartz que l'on trouve dans les filons constitue de très beaux cristaux. Dans les massifs granitiques des Alpes, des fissures (fentes alpines ou fours) formant de petites cavités fournissent de très beaux spécimens. Parmi les localités les plus célèbres on peut citer le massif du Mont Blanc en Haute-Savoie célèbre pour ses cristaux de quartz enfumé, le gîte de La Gardette (Oisans) en Isère qui a fourni du cristal de roche
Le quartz amethyste
Le quartz améthyste présente des cristaux en pyramides hexagonales, plus rarement en prismes allongés. La couleur varie du violet clair à foncé. Elle est plus rarement violette et fumée (amétrine). Sa couleur dépend de la teneur en oxyde de Fer qui peut atteindre 0,25% dans les cristaux les plus sombres.
Le chauffage artificiel des améthystes entre 470°C et 750°C permet l'obtention de pierres jaunes clair (fausses citrines), brun roux, vertes ou incolores.
On trouve l'améthyste dans certaines roches volcaniques. Le gîte le plus célèbre est le Rio Grande do Sul au Brésil qui est exploité à une grande échelle. L'améthyste rempli des géodes amygdaloïdes. On en trouve aussi en Uruguay, au Mexique, en Corée du Sud ainsi qu'en Autriche (massif du Zillertal) et en France (Argentières en Haute-Savoie).
D'Amethys et Bacchus au signe du verseau légendes et pouvoirs
Le nom améthyste vient du grec « Amathustein » signifiant « ne pas être ivre », ce minéral étant sensé protéger de l'ébriété. Grecs et Romains buvaient dans des coupes taillées dans de l'améthyste et portant gravé l'effigie de Bacchus (le dieu du vin). D'après la légende grecque, le dieu Bacchus poursuivit de ses assiduités Améthys, l'une des nymphes de la déesse Artémis. La nymphe appela à son secours la déesse qui la transforma en un pur cristal. Bacchus furieux l'aspergea du vin de sa coupe. Le cristal se teinta alors en violet : ainsi naquit l'améthyste.
Elle est Achlamah la neuvième pierre ornant le Pectoral du Grand Prêtre des Hébreux.
Sur ordre du pape Innocent III elle orne l'anneau épiscopal depuis l'an 610 : n'est-elle pas le symbole de la sagesse, de la lucidité, de l'humilité, de la sincérité et de la pitié.
Les moines boudhistes de l'Himalaya la recherche pour leurs chapelets.
Porté dans ses vêtements, elle protège de la goutte, mise sous l'oreiller, elle préserve des mauvais rêves (Selon Ibn al Baytar). Triturée et bue, elle rend les femmes fécondes. Elle guérit des névralgies aiguës si on la pose sur la région douloureuses
C'est la pierre des natifs du Verseau dans tous les pays.
Le quartz rose
Sa couleur provient en partie de la présence de Titane. Il est généralement trouvé en échantillons massifs. Il existe des variétés cristallisées très rares dans les filons de pegmatites (Etats Unis, Brésil, Madagascar, Russie).
Utilisations du quartz et de la silice
L'utilisation du quartz par l'homme est ancienne, remontant à près de 2,6 millions d'années. Ce minéral a en effet servi à la confection d'outils. Par la suite, le silex, plus facile à tailler, prend le relais et constitue une matière première recherchée tout au long du Paléolithique moyen et supérieur. Au Néolithique, le grès et la quartzite, sont utilisés pour la confection de meules (ou meulière) et bien comme polissoirs pour les haches de pierre polie.
Dès l'Antiquité (Egypte ancienne), le sable, riche en quartz, est exploité pour la fabrication d'objets en verre. A cette époque, le silex devient « pierre à feu » pour les briquets et les fusils. Au XXème siècle, le quartz et le sable quartzeux servent à la fabrication d'un isolant thermique la laine de verre (carrière de Bédoin en Vaucluse), de montres à quartz piézoélectriques, de récipients pour la spectrophotométries UV. Ce sont aussi les matières premières du silicium destiné aux puces électroniques. L'indistrie fabrique aujourd'hui des quartz de synthèse du fait de la rareté de cristaux naturels sans défauts.
L'éclat du « Cristal de roche », la pureté et la beauté des couleurs des Améthystes, Citrines, Opales et autres font de ces minéraux des pierres semi-précieuses utilisées en bijouterie.
Les belles pierres servent aussi d'éléments de décoration : cristaux, géodes, agate, onyx, bois silicifiés...
Les formes cristallines de la silice
La silice est un oxyde de silicium (Si O²). C'est l'espèce chimique la plus abondante sur Terre. Elle se présente sous diverses espèces minérales (dites « polymorphes ») suivant les conditions de température, de pression et de vapeur d'eau. La plus courante est le quartz. Les autres espèces minérales sont la cristobalite, la tridymite, la coesite et la stishovite.
La CRISTOBALITE existe sous deux formes cristallines (a et b). Identifiée en 1884 par le minéralogiste allemand Von Rath sur un échantillon de Cerro San Cristobal au Mexique (d'où son nom), la cristobalite est comme la forme stable de la silice à la pression ordinaire entre 1470°C et 1723°C (température de fusion). C'est la cristobalite B qui cristallise dans le système cubique. C'est une forme de très hautes températures stable entre 1470° C et 1723° C. Elle est métastable* en dessous de 1470° C, elle se transforme en cristobalite a (stable à basses températures) à 268°C. Elle se rencontre dans certaines laves andésitiques. De même dureté que le quartz (dureté 7), densité est plus faible (2,27).
La tridymite
Identifiée en 1868 par le minéralogiste allemand Von Rath sur un échantillon de Cerro San Cristobal au Mexique, la Tridymite est considérée comme la forme stable de la silice à la pression normale entre 870°C et 1470° C. Elle existe sous trois formes cristallines :
- La tridymite B cristallise dans le système hexagonal ; elle est stable à hautes températures entre 1470° C et 867° C.
- La tridymite O cristallise dans le système orthorhombique ; c'est la forme de moyennes températures.
- La tridymite a cristallise dans le système monoclinique ; c'est la forme de basses températures inférieures à 117° C. Aussi dure que le quartz (dureté 7), elle est moins dense (densité 2,33). On la trouve dans des laves acides (rhyolites, trachytes et andésites), parfois aussi dans du basalte.
- Métastable : se dit d'un minéral qui reste inchangé hors de son domaine de stabilité, en l'absence de facteur perturbateur qui provoquerait sa transformation en un autre, stable dans les nouvelles conditions.
Les formes cristallines de la silice
La COESITE cristallise dans le système monoclinique. C'est une forme de pressions élevées (supérieures à 30 Kbars*) qui se forme à des profondeurs supérieures à 80 km, caractéristique d'un contexte de subduction (plongement d'une plaque lithosphérique sous une autre).
La STISHOBITE cristallise dans le système quadrique. C'est une forme rare de hautes températures supérieures à 1200° C et surtout de très hautes pressions supérieures à 115 Kbars*, caractéristique des cratères d'impacts météoritiques.
*1 bar = 1 atmosphère = 1013 hectopascals ; 1kbar = 1000 bars
Les formes de silice cryptocristallines et amorphes
La silice se rencontre aussi fréquemment sous des formes cryptocristallines (cristaux peu développés) à amorphes, d'origines et d'aspects très divers, auxquelles on donne des noms très variés selon leur aspect, leurs propriétés et leur mode de gisement : calcédoine, agate, onyx, cornaline, héliotrope, opale...
Calcédoine
Son nom vient soit du nom grec de la cité phénicienne de Carthage, « Karchêdon », soit de celui de la ville de Chalcedon située sur le Bosphore vis-à-vis de Byzance. La calcédoine est un quartz dont les cristaux ne sont pas développés et qui sont déposés en fibres. Elle provient de la précipitation de solutions riches en silice. Elle se présente généralement en sphérolites, nodules ou concrétions fibreuses (formées de fibres par empilement hélicoïdal de cristallites microscopiques de quartz), Sa couleur est variable : gris, blanc, jaune, bleu, orange. Son éclat est vitreux, parfois cireux. On la trouve dans des filons et des roches volcaniques.
Parmi les formes de calcédoine on peut citer :
La chrysoprase (appelé par les Grecs « poireau d'or ») : vert pomme, couleur due à des silicates de Nickel hydraté.
L'héliotrope ou « pierre de sang » ou jaspe sanguin ou pierre des montagnes: vert tacheté de rouge. Le vert est dû au chlorite, le rouge à des inclusions spongieuses d'oxyde de Fer. Un héliotrope sans points rouge est un plasma.
Le jaspe : son nom vient d'un mot grec signifiant « pierre moucheté » ; opaque, généralement rouge, parfois jaune, vert ou gris-bleu.
Des vertus diverses
La calcédoine : portée en pendentif elle est censée chasser les fantômes, les illusions, la mélancolie ; elle assure un sommeil sans mauvais rêves. Placée à même la peau, elle garantit la réussite. La chrysoprase : symbole de réussite, de gaieté et de confiance en soi, elle éclairci aussi la vue et la voix et apaise les passions. Pour triompher dans les combats et les procès, il fallait la porter perforée à même la peau.
L'héliotrope : on lui attribue le pouvoir de détourner le soleil pour le rendre invisible. Pour les Anciens, plongée dans de l'eau elle faisait apparaître les rayons du soleil de couleur rouge sang d'où son nom formé du grec helios : le soleil et trepo : je change. Symbole de la constance en amour, elle combat les venins et grâce à ses ponctuations rouges arrête les écoulements de sang.
Le jaspe : sa couleur rouge lui donne la vertu d'enrayer les hémorragies. Il empêche aussi les fausses couches et facilite l'accouchement comme il guérit de l'épilepsie et évite la formation de calculs. Il préserve des charmes et du venin des serpents. Dans la Grèce Antique, il fait pleuvoir, préserve de la grêle.
L'agate : elle conforte le cœur, fortifie la vue et apaise la soif lorsqu'elle est placée dans la bouche. Dans la médecine grecque elle était pulvérisée dans le vin pour guérir les morsures de serpent et surtout les piqûres de scorpions. Les Musulmans la mêlait à du jus de pomme pour combattre les délires et divers troubles mentaux. A Rome, les jardiniers et les cultivateurs la fixaient à leur charrue pour obtenir une moisson abondante.
Agate
Elle doit son nom au fleuve Achates coulant en Sicile et sur les bords duquel elle fut extraite. L'agate une variété de calcédoine montrant à la coupe une zonation concentrique. Elle peut contenir des inclusions d'oxyde de manganèse : agate moussue, pierre de Moka (présente des arborescences et des dendrites de manganèse).
Les couleurs, très contrastées peuvent être obtenues par trempage dans des solutions sucrées.
L'agate se trouve dans certaines roches volcaniques où elle remplit des cavités. La partie extérieure des géodes est formée de calcédoine très compacte, qui laisse place à des couches d'agate ; vers le centre se trouve les cristaux de quartz. Le gîte du Rio Grande do Sul au Brésil fourni de très belles agates.
L’opale
Son nom vient du sanscrit upala qui signifie pierre précieuse. L'opale ne forme pas de cristaux : elle est amorphe. Elle se présente également en nodules et concrétions : elle est formée de très petites cristallites de quartz disposé sans ordre et contient 6 à 10 % d'eau. Elle est translucide et parfois irisée (Opale noble) ou rouge-orangée (Opale de feu) ou bien noire.
Elle est déposée à basse température et se trouve dans certaines roches volcaniques. On en trouve en Australie (gîtes de Lightning Ridge et Cooper Bedy, intensivement exploités), aux Etats-Unis, au Brésil, au Mexique (opale de feu de Queretao).
En France, On la trouve dans les griffons de geyser (geysérite formée par précipitation des eaux chaudes) et de sources thermales comme en France à Saint-Nectaire (Puy-de-Dôme)
Silex et cherts
Le silex (nodules noirs dans la craie) et les cherts (masse disposée en lits) sont formés de calcédoine opaque qui a précipité au fond des mers ou a remplacé des roches, notamment calcaires, par infiltration.
La silice constitue le test d'organismes unicellulaires du plancton : Diatomées (algues unicellulaires brunes marines ou d'eaux douces) ou Radiolaires (animaux unicellulaires marins). Les silex crétacés de la craie résultent de la précipitation de la silice dissoute dans les sédiments riches en spicules d'éponges, carapaces de radiolaires tandis que les silex tertiaires du bassin de Paris résultent de la précipitation de la silice des diatomées. Silex et chert ont une cassure conchoïdale aux bords très acérés. L'homme préhistorique a utilisé ces propriétés pour fabriquer de l'outillage.
La silice peut également, après leur mort imprégner le fossile de certains animaux ou végétaux, notamment les bois fossiles dont les plus célèbres sont les magnifiques bois silicifiés de l'Arizona.
L’obsidienne
Elle doit son nom au romain Obsius qui l'aurait découverte en Ethiopie. C'est un verre volcanique, presque anhydre (sans eau). De couleur noire, gris acier, verte et transparente, bleutée, rouge, brun rouille ou encore gris brun. Liée à la mort et aux sacrifices, elle servait aux Egyptiens à inciser les cadavres et chez les Juifs et les Musulmans à l'opération de la circoncision. Chez les Aztèque, elle constituait la hache recourbée (ou téotelt) qu'utilisait le grand prêtre pour arracher le cœur de la victime sacrifiée au dieu.
La dureté du cristal
C'est la résistance d'un minéral à la rayure et à l'abrasion. Une échelle de dureté a été établie en 1812 par Friedrich MOHS qui a classé 10 minéraux par ordre de dureté croissante, chacun d'eux pouvant rayer le précédent :
1.talc
2.gypse
3.calcite
4.fluorine
5.apatite
6.orthoclase
7.quartz
8.topaze
9.corindon
10.diamant
Les 7 systèmes cristallins
Les roches qui constituent la Terre sont constituées de minéraux qui sont des substances solides à la composition chimique bien définie et aux atomes agencés selon un ordre régulier. Les minéraux sont le plus souvent solide et certaines espèces sont mal ou peu cristallisées (opale).
Les cristaux sont généralement constitues de faces planes. Leur forme extérieure exprime l'arrangement des atomes. Sept systèmes cristallins ont été définis. Le quartz B est inclus dans le système hexagonal, le quartz B est inclus dans le système rhombohédrique.
Systèmes Forme de base CUBIQUE Cristobalite B Cube (6 faces carrées) QUADRATIQUE (ou tétragonal) Stishovite Prisme droit à section carrée HEXAGONAL Quartz B, Tridymite B Prisme droit à base hexagonale RHOMBOEDRIQUE (ou trigonal) Quartz a Rhomboèdre (parallélépipède aux 6 faces losanges égales) ORTHORHOMBIQUE Tridymite o Prisme droit à section rectangulaire MONOCLINIQUE Coesite, Tridymite a Prisme oblique à base rectangulaire TRICLINIQUE Prisme oblique à base parallélépipédique quelconque (3 paires de faces parallélogrammes)
Les thermos-baromètres géologiques
Dans une roche en cours de formation les minéraux qui se forment sont stables dans les conditions (Température et Pression) de formation de la roche.
Minéraux non transformés
S'ils restent tels quels au cours de l'histoire ultérieure de la roche, ils témoignent donc des conditions de formation. Toutefois les roches sont très rarement restées dans les mêmes conditions au cours des temps géologiques. Certains minéraux ne sont plus stables dans les nouvelles conditions par lesquelles la roche est ensuite passée. Ils peuvent alors soit rester tels quels (à l'état « métastable », c'est à dire hors de leur domaine normal de stabilité) ou se transformer.
S'ils sont totalement transformés les minéraux néoformés témoignent désormais des conditions nouvelles dans lesquelles la roche s'est trouvée. Dans le cas le plus intéressant ils ne sont pas totalement transformés, gardant ainsi au cœur les traces des conditions initiales (ou de conditions antérieures s'il y'a eu plusieurs stades successifs).
Ainsi la présence dans le quartz de coésite - métastable dans les conditions de surface - (Alpes du Sud italiennes) montre que la roche est passée par les conditions de stabilité du coésite (T° entre 500 et 800° C, P>30Kbars) avant de revenir dans les conditions de stabilité du quartz, où elle s'est partiellement transformée en quartz mais pas totalement jusqu'au cœur... puis finalement dans les conditions de surface où on peut actuellement récolter la roche.
Les géologues travaillant en particulier sur le métamorphisme recherchent justement ces reliques de minéraux métastables. Ce sont en effet des marqueurs précieux servant de géothermomètres qui permettent de reconstituer, au moins en partie, l'histoire de la roche qui les renferme (trajet géodynamique dit P.T.T : Pression et Température au cours du Temps).
Intérêt de la silice
Cristobalite B et Tridymite B sont avant tout des géothermomètres de Très Haute Température et Haute Température (dans les roches volcaniques). Coésite et Stishovite sont essentiellement des géobaromètres de Haute Pression et Très Haute Pression (subductions et impacts). Les formes Basse-Température-Basse Pression (Cristobalite a et Tridymite a) sont plutôt des témoins de la pression de vapeur d'eau (présence d'eau en quantité plus ou moins importante), mais aussi de température. Ainsi la présence de Cristobalite a dans les argiles bartoniennes de Mormoiron indique un milieu avec une quantité d'eau importante et une basse température <268° C à faible pression.
Dans le cas d'inclusion liquide dans le quartz, leur étude peut préciser la température de cristallisation.
