MINÉRALOGIE

La minéralogie a pour but l'étude des minéraux, éléments ou composés naturels. Si la notion d'espèce minérale a longtemps varié, depuis quelques décennies les minéralogistes en donnent la définition suivante : un minéral est un solide naturel, homogène, possédant une composition chimique définie et une structure atomique ordonnée. Il convient de développer cette définition.

Solide : à l'exception du mercure natif, aucun liquide n'est considéré comme un minéral.

Naturel : il est possible de reproduire artificiellement des minéraux : historiquement commencée avec les pierres précieuses artificielles, la synthèse des cristaux (quartz, diamant) est devenue une industrie importante ; mais ces produits résultant de l'activité humaine ne sont absolument pas des minéraux au sens vrai du terme.

Homogène : un minéral est composé d'une seule phase solide et aucune méthode physique de séparation ne peut permettre d'en isoler des composés plus simples ; de nombreuses espèces minérales se sont révélées être des mélanges quand on a pu disposer de méthodes précises d'examen.

Composition chimique définie : les exceptions à cette règle proviennent de l'existence de solutions solides permettant des variations de composition entre deux ou plusieurs termes extrêmes et de possibilités de remplacement d'un élément par un autre.

Structure atomique ordonnée : un minéral est un solide cristallisé, constitué par un arrangement périodique d'atomes d'éléments donnés ; par exception, on considère comme minéraux des verres et des gels solidifiés (opale, chrysocolle, allophanes), et aussi les espèces « métamictes », dont la structure a été plus ou moins complètement détruite par les rayonnements du thorium ou de l'uranium.

Les minéraux, sauf de rares exceptions (oxalates, mellates, citrates...), sont des composés inorganiques. Les houilles, les hydrocarbures solides sont des roches, des mélanges qui peuvent être séparés physiquement en constituants plus simples.

La minéralogie doit donc recenser, reconnaître, définir les propriétés et les conditions d'apparition et d'évolution des espèces minérales. On distingue aujourd'hui une minéralogie « industrielle », qui doit promouvoir l'utilisation des minéraux, contribuer aux techniques de la valorisation des minerais, étudier les méthodes de synthèse des espèces trop rares dans la nature pour la demande industrielle.

Les roches, les minerais, les sols étant surtout d'origine minérale, le rôle et l'importance de la minéralogie dans les sciences de la Terre sont évidents. Mais elle a aussi apporté son concours à d'autres disciplines : chimie, métallurgie, physique du solide. Il suffit de rappeler que les techniques radiocristallographiques viennent directement des recherches minéralogiques ; qu'en serait-il de la physique moderne sans cet apport ?

La minéralogie se situe donc au carrefour des sciences d'observation et des sciences exactes et, à ce titre, elle est une discipline étroitement liée au développement de la civilisation actuelle.

Les différents domaines de la minéralogie découlent de la définition même de l'espèce minérale : de la géométrie du réseau et de la nature des atomes le constituant dérivent la cristallographie, la cristallochimie, la physico-chimie du solide naturel, la minéralogie descriptive et déterminative, la minéralogie industrielle. L'étude des conditions de formation et d'évolution des minéraux constitue la minéralogie génétique et une partie importante de la géochimie.

Après avoir esquissé les grands traits de l'évolution de la minéralogie, on traitera de l'important domaine de la cristallochimie (cf. cristaux ) pour ce qui concerne l'étude de la géométrie et des propriétés du milieu cristallin) ; puis seront exposés les caractères permettant d'identifier les espèces minérales ; enfin, on abordera les principes de leur classification, en accordant un développement particulier aux classes qui ne font pas l'objet d'articles spéciaux.

Historique

Ce sont des minéraux – éléments natifs comme le cuivre, l'or – qui ont été les premiers métaux utilisés par l'homme. En particulier, le cuivre a ouvert l'ère des métaux avec l'âge du cuivre ou Chalcolithique (vers 6000 av. J.-C.).

Aristote divisa en deux classes le monde minéral : les métaux et les « fossiles » (roches et minéraux non métalliques). On trouve ensuite les travaux des naturalistes arabes, et en particulier d'Avicenne dont la classification des minéraux en quatre groupes – pierres et gemmes, minerais, combustibles, sels – se retrouvera jusqu'au xix^e siècle.

G. Agricola (1494-1555) peut être considéré comme le père de la minéralogie moderne ; il sut en effet tourner résolument le dos à l'alchimie et observer les minéraux dans leurs gisements, posant ainsi les fondements de la métallogénie et de la géologie minière. Il utilise dans ses œuvres (surtout De natura fossilium, 1546, et De re metallica, 1556) les propriétés immédiates des minéraux (couleur, éclat, dureté, densité, goût, odeur...) pour les décrire.

Au xvii^e siècle, N. Stenon (1669) montre la constance des angles des faces cristallines pour certaines espèces définies. De ce siècle date aussi l'optique cristalline avec E. Bartholin (double réfraction) et les célèbres travaux de C. Huygens.

La fin du xviii^e siècle vit l'essor de la cristallographie. En 1783, Romé de l'Isle montre que les angles dièdres que font entre elles les faces d'un cristal sont constants pour tous les cristaux d'une même espèce. L'abbé R. J. Haüy, le père de la cristallographie, publia en 1784 son Essai d'une théorie sur la structure des cristaux, énonça la loi des troncatures rationnelles, découvrit les règles de symétrie, distingua les sept systèmes cristallins et la dérivation des formes secondaires.

Au début du xix^e siècle, l'aspect chimique de la minéralogie se développa considérablement en participant à l'essor de la chimie minérale. J. J. Berzelius (1779-1848) et E. Mitscherlich (1794-1863) étudièrent la chimie des espèces minérales, ce qui permit à ce dernier de découvrir l'isomorphie et la polymorphie. Malheureusement, sous l'influence dogmatique de Berzelius, la composition chimique devint, pour de trop longues années, la seule base de la notion d'espèce minérale, malgré les efforts d'Haüy, qui, avec une vision exceptionnelle de la réalité, chercha à lier structure et composition. C'est de cette époque « chimique » que datent de nombreuses espèces ou variétés sans existence réelle, dues à des analyses imparfaites ou effectuées sur des mélanges.

R. J. Haüy avait montré l'existence d'un réseau cristallin triplement périodique, J. F. C. Hessel et A. Bravais étudièrent les 32 groupes de symétrie, bientôt complétés par les travaux de A. M. Schönfliess et V. S. Fedorov sur les 230 groupes spatiaux.

En optique cristalline, il faut citer E. Mallard, F. Becke, V. S. Fedorov. H. C. Sorby qui, en introduisant la méthode des lames minces et des sections polies, permirent le développement de la pétrographie (K. H. F. Rosenbush, A. Michel-Lévy, A. Lacroix) et de la microscopie des minerais (H. Le Chatelier, P. Ramdhor).

Au point de vue chimique, il est difficile de dissocier les progrès de la minéralogie du développement de la chimie minérale. A. Daubrée (1814-1896) et son école de géologie expérimentale sont à la base des études actuelles sur les synthèses et les conditions d'équilibre des minéraux.

Si C. F. Schönbein employa, en 1838, le terme de géochimie, cette discipline devait attendre le début du xx^e siècle pour trouver une réelle individualité, grâce aux travaux de F. N. Clarke, V. M. Goldschmidt, V. I. Vernadsky et A. Fersman.

Mais l'événement le plus marquant fut la réalisation, par M. von Laue en 1912, de la diffraction d'un faisceau de rayons X par un cristal de blende ; avec la structure périodique de la matière, atomes et molécules devenaient une réalité. Ces travaux et ceux de W. H. et W. L. Bragg, P. Debye, posaient les bases de la cristallochimie et permettaient enfin une définition rigoureuse de l'espèce minérale.