Photo : fluorine de Peyrebrune. CC-BY-SA-3.0 Didier Descouens, Collection Minéraux du Muséum de Toulouse sur wikimedia.

Des premiers métallurgistes à la microélectronique

Dès l'aube de l'humanité les roches (par exemple le silex, le quartz, l'obsidienne…) ont été utilisées par les premiers hommes pour fabriquer des outils. C'est seulement plus tard, à l'époque néolithique, que les minéraux  prirent de l'importance comme matière première pour extraire les métaux : c'est la naissance de la métallurgie qui, au travers des millénaires, allait prendre l'importance que l'on sait… Les minéraux, composants des roches, sont le résultat de processus physico-chimiques complexes et variés au sein de la croûte terrestre. Leur âge peut être extrêmement variable allant de seulement quelques années pour les minéraux de néoformation à des millions voire des milliards d'années pour les plus anciens. Ils sont connus du grand public et particulièrement des collectionneurs et joailliers pour leur esthétique mais leur importance économique pour l'industrie et les technologies de pointe (microélectronique par exemple) est de premier plan…

Les minéraux : des atomes bien ordonnés

Les minéraux sont des solides composés des éléments chimiques naturels disponibles sur notre Terre. Ces éléments, au nombre de 94, sont représentés par leur symbole chimique  sur le tableau périodique de Mendeleiev, un très grand chimiste de la fin du XIXe siècle (1834-1907) connu principalement pour son travail sur la classification périodique des éléments. Figurent aussi sur ce tableau les éléments obtenus artificiellement par réactions nucléaires (voir l'article de Thema « de la Torbernite à Fukushima »).

Tableau périodique de Mendeleiev où figurent tous les éléments connus (naturels et artificiels). CC by-sa wikimedia

Une espèce minérale est essentiellement définie par la nature et les proportions des éléments qui la composent ; elle est donc caractérisée par une formule chimique. Les multiples combinaisons des éléments aboutissent à plus de 4000 espèces minérales différentes (on en découvre encore…).  Par exemple la calcite, carbonate de calcium, a pour formule chimique CaCO₃ ce qui signifie qu'un atome de calcium (Ca) est associé à un atome de carbone (C) et trois atomes d'oxygène (O). C'est un minéral assez simple puisqu'il ne comprend que 3 types d'atomes. La grande majorité des minéraux de la croûte terrestre (plus de 95 %) sont des silicates, c'est-à-dire qu'ils contiennent de la silice (SiO₂) combinée avec d'autres éléments. Le silicium, matériau de base de la microélectronique, est donc un des éléments les plus abondants sur terre.

Photos : à gauche Calcite "dent de cochon" (Ce spécimen est un don du Club de spéléologie d'Agen. Il provient de Cuzorn, Lot-et-Garonne, France) - à droite Orthose rose (feldspath), silicate composant des granites (Ce spécimen provient de Saint-Laurent de Cerdan, Pyrénées-Orientales, France)- Collections Minéraux CC by-sa Muséum de Toulouse.

La plupart des minéraux sont cristallisés c'est-à-dire que les atomes qui les constituent sont disposés suivant un certain arrangement géométrique régulier (symétrie cristalline).

Photo : Cristaux cubiques parfaits de pyrite de fer (FeS₂) (Navajun-Espagne - Collection Minéraux du cc by-sa Muséum d'histoire naturelle de Toulouse). Dessin : Arrangement des atomes dans la pyrite (en jaune les atomes de soufre (S),  en gris les atomes de fer (Fe)) CC-BY-SA Orci via Wikimedia Commons

Les formes si esthétiques des cristaux des minéraux sont d'ailleurs intimement liées à cet arrangement. Il n'existe que sept grandes façons d'arranger les atomes en cristaux réguliers, ce sont les systèmes cristallins suivants :

Schéma géowiki : Les 7 systèmes cristallins

Hommage à l'abbé René-Just Haüy

L'ensemble des études sur les minéraux constitue une vaste discipline appelée minéralogie qui utilise toutes les ressources de la physique, de la chimie et de nombreuses autres sciences.

    L'abbé René Just Haüy (1743-1822) est considéré à juste titre comme un des pères de la minéralogie et de la cristallographie dont il établit les lois fondamentales à la suite des travaux de J.L. Romé de l'Isle (1736-1790). Il jette aussi les bases d'une classification moderne des cristaux et des minéraux par des travaux d'une grande qualité. L'atlas de son traité de minéralogie (2^ème édition-1823) est une pure merveille par la finesse des dessins et le détail des formes cristallines décrites. 

  C'est incontestablement un des grands savants de la fin du siècle des Lumières alliant la finesse d'observation d'un naturaliste et la rigueur d'un scientifique.

Gravure : By Johann Anton Riedel, engraver, (1733-1816) after Félix Massard (1776-).. [Public domain], via Wikimedia Commons
 

La Minéralogie ou l'art de décrire les différences

La première salle de l'exposition permanente du Muséum offre aux yeux des visiteurs un échantillonnage de choix de minéraux avec de très belles cristallisations.

Photo : Salle des minéraux du Muséum d'histoire naturelle de Toulouse. Copyright Jean-Jacques Ader, Museum de Toulouse.

Outre son type de cristallisation, un minéral se caractérise par une multitude de propriétés physiques et chimiques:

• sa structure cristalline (généralement étudiée par diffraction des rayons X), le type des liaisons entre atomes : c'est essentiellement le domaine de la cristallographie ;
• sa composition chimique (souvent déterminée à la microsonde électronique) ;
• ses propriétés chimiques : réactivité à certains produits, solubilité, coloration à la flamme…;
• ses propriétés électriques et thermiques ;
• ses propriétés mécaniques : densité, dureté, cassure…
• ses propriétés optiques : couleur, trace, éclat, transparence, indice de réfraction;

Nommer les minéraux

La nomenclature moderne s'est imposée dès le XIX ^e siècle et le nom qui est attribué aux espèces minérales peut avoir plusieurs origines (liste non exhaustive) :

• une propriété remarquable (ex. la magnétite car cet oxyde de fer est naturellement magnétique) ;
• le nom de l'élément chimique dominant (ex. la magnésite car riche en magnésium) ;
• le nom d'un savant (ex. la descloizite, dédiée à Alfred Des Cloizeaux) ;
• sa couleur (ex. l'azurite, carbonate de cuivre d'un bleu intense) ;
• une localité ou une région (ex. l'ardennite silicate complexe a été découverte dans les Ardennes belges);

Lorsqu'une espèce minérale nouvelle est décrite par sa composition et ses principales propriétés, un nom est proposé, en général par ses découvreurs (les noms se terminent généralement en ite, pas toujours…). Un organisme international, l'Association Internationale de Minéralogie (IMA) reconnaît ou non la validité de ce minéral suivant des critères de normalisation et veille entre autres à ce qu'il n'ait pas été déjà décrit sous un autre nom.

Photo : Calcite cobaltifère, Collection Minéraux Muséum de Toulouse. Ce spécimen appartient à la collection PICOT de LAPEYROUSE (Dépôt de l'université Paul Sabatier, 2002). Il provient de Seix, Ariège, France. CC by-sa Muséum de Toulouse.

 Comment trouver des minéraux à exploiter ?

C'est tout un pan de la minéralogie, en étroite association avec la géologie, la pétrographie (étude des roches), la géochimie et d'autres sciences de la Terre, qui étudie les conditions de formation et de dépôt des minéraux avec pour application la prospection et l'exploitation. Ils ont en effet une importance économique majeure lorsqu'ils sont présents dans certaines roches et à certains endroits car ils constituent alors des minerais d'où sont extraits les métaux et autres substances destinés à nos multiples usages industriels et de plus en plus à nos technologies de pointe. Les minerais sont exploités à « ciel ouvert » en carrières ou dans des mines souterraines. Certains métaux sont rares et il est nécessaire de traiter chimiquement des quantités importantes de minerais pour les extraire, c'est le cas pour l'or.

Photo : Carrière de talc de Trimouns (Luzenac). Copyright muchosurlenet

Des minéraux de toute beauté…

Lorsqu'ils ont pu cristalliser librement au sein des cavités des roches (géodes) les minéraux sont appréciés pour la perfection des formes, la couleur et la limpidité de leurs cristaux. Les variétés les plus belles sont utilisées en joaillerie (diamant, émeraude, rubis, saphir, etc…).

Photo : Emeraude de Colombie CC-BY-SA-3.0 Rob Lavinsky, iRocks.com via Wikimedia Commons

Article du 7 mai 2013 rédigé par Jean-Pierre Ulmet (volontaire au Muséum de Toulouse).

Références d'articles disponibles à la médiathèque adultes Cartailhac et une sélection de liens Télécharger (PDF)