Le quartz.

Le quartz est une espèce minérale du groupe des silicatesc, sous-groupe des tectosilicates, composé de dioxyde de silicium, ou silice, de formule chimique SiO2, avec des traces de différents éléments tels que Al, Li, B, Fe, Mg, Ca, Ti, Rb, Na, OH.

Il se présente sous la forme ou bien de grands cristaux incolores, colorés ou fumés, ou bien de cristaux microscopiques d’aspect translucide.

Constituant 12 % (en masse) de la lithosphère, le quartz est le minéral le plus commun (l’oxygène et le silicium sont respectivement les premier et deuxième constituants, par ordre d’importance, de la lithosphère) ; c’est un composant important du granite, dont il remplit les espaces résiduels, et des roches métamorphiques granitiques (gneiss, quartzite) et sédimentaires (sable, grès).


Quartz, carte maximum, France, 1986.

L’étymologie du mot quartz n’est pas évidente. La première hypothèse vient du mot « quaterz » ou « quaderz » qui jusqu’au XVIe siècle désigne les mauvais minerais. Une autre hypothèse est la contraction du mot allemand « gewärz » (excroissance, germe).

Le terme quartz au Moyen Âge s’appliquait à tous les cristaux. C’est Georgius Agricola qui a restreint le terme aux cristaux de roche.

Les cristaux de quartz se présentent souvent comme des masses ressemblant à du verre, de teinte gris laiteux et à l’éclat gras, sans forme cristalline spécifique. Ces cristaux se sont formés tardivement et ont occupé l’espace entre des cristaux développés plus précocement.

Les cristaux de quartz dont la croissance s’est effectuée à partir d’un substratum montrent des faces prismatiques et se terminent par une pyramide (l’autre extrémité étant englobée dans la roche). Certains quartz qui se sont développés au sein de sédiments peuvent montrer des pyramides à leurs deux extrémités (quartz bipyramidés des hyacinthes de Compostelle, dans le Trias des Pyrénées et des Asturies).

C’est en 1907 que le cristallographe allemand Otto Muegge (Mügge) a montré les différences qui existaient entre le quartz α, qui est le polymorphe décrit ici, et le quartz β.

La structure cristalline est hexagonale à haute température (quartz β, groupe d’espace P6421 ou P6221), trigonale à basse température (quartz α, groupe d’espace P3121 ou P3221). L’enroulement des hélices de tétraèdres SiO4 peut se faire dans les deux sens, gauche ou droit, ce qui explique les deux groupes d’espace pour chacun des polymorphes, β et α.

Les paramètres de la maille conventionnelle du quartz α  sont : {\displaystyle a}  = 4,913 3 Å, {\displaystyle c}  = 5,405 3 Å (Z = 3; V = 113,00 Å3), sa densité calculée est 2,65 g/cm3.

Bien que la structure cristalline du quartz alpha soit décrite dans la plupart des textes français de minéralogie comme étant « hexagonale, système rhomboédrique », Massimo Nespolo, professeur de minéralogie et cristallographie, affirme que cette classification serait erronée. Le quartz α en fait cristallise dans le groupe d’espace P3121 (quartz gauche) ou P3221 (quartz droit), à réseau hexagonal, comme indiqué par le symbole « P ». Le système cristallin du quartz α est donc trigonal, car le quartz α contient un axe d’ordre trois comme élément de symétrie d’ordre le plus élevé. Le terme « rhomboédrique » s’applique au réseau, mais le réseau du quartz est toujours hexagonal. D’après cet auteur, il ne faut donc pas confondre la nomenclature du « système cristallin », d’où le terme rhomboédrique est absent, avec celle du « système réticulaire », d’où le terme trigonal est absent. Dans le système réticulaire, un cristal rhomboédrique correspondra à un cristal trigonal dans le système cristallin. Cependant, un cristal qui appartient au système cristallin trigonal peut avoir un réseau soit rhomboédrique, soit hexagonal, d’où la possibilité d’appartenance aux deux systèmes réticulaires. L’article sur la structure cristalline présente une explication plus complète du problème.

Le quartz présente aussi la particularité d’être classé parmi les silicates et particulièrement dans les tectosilicates, si l’on suit la classification de Dana, mais il est également classé dans les oxydes (dioxyde de silicium) si l’on suit la classification de Strunz. Dans le présent article il a été classé volontairement dans la classe des silicates alors que Wikipédia a choisi pour la minéralogie la classification de Strunz, la silice étant en effet l’archétype des silicates. Ceci montre la difficulté qui existe parfois à la mise en place d’une classification en sciences naturelles.

Très dur (7 sur l’échelle de Mohs), le quartz α cristallise au-dessous de 573 °C et le quartz β entre 573 °C et 870 °C à la pression atmosphérique au niveau de la mer.

À 573 °C (le « point quartz » en cuisson de poterie), le quartz α (polymorphe de basse température) se transforme en quartz β (polymorphe de haute température). C’est une transformation displacive — les déplacements relatifs des atomes y sont environ dix fois plus petits que leur distance inter-atomique — avec une augmentation de volume de l’ordre de 0,829 %. Contrairement à la phase α, la phase β n’est que très peu piézoélectrique.

À températures supérieures le quartz se transforme en tridymite et puis en cristobalite. D’autres polymorphes se forment à pressions élevées : coésite et stishovite.

Le quartz peut présenter une fluorescence en fonction des impuretés qui le composent. Il peut également présenter les phénomènes de triboluminescence.

Le quartz n’absorbe pas dans l’ultraviolet, on utilise donc des cuves en quartz pour mesurer l’absorbance de molécules qui absorbent dans l’UV (ADN par exemple).

Les cristaux de quartz sont biréfringents, et présentent une activité optique.

Les cristaux naturels de quartz peuvent atteindre des tailles considérables : le plus grand monocristal de quartz connu a été trouvé à Manchõ Felipe, près d’Itaporé (Goiás, Brésil) : 6,1 × 1,5 × 1,5 m, pour un poids estimé de 40 tonnes.

Actuellement, le quartz naturel, qui se trouve partout dans le monde (les principaux gisements se trouvent au Brésil) n’est plus guère exploité que pour servir de germe dans le processus de fabrication de quartz synthétique, cette synthèse étant industrialisée depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale.

Dans le nord-ouest du Québec, le quartz est un des principaux indices de la présence de l’or dans sa masse. Sa couleur se présente surtout sous un blanc laiteux ou gris pale.

Les cristaux de quartz paraissent souvent assez purs mais en réalité, ils contiennent presque toujours des inclusions plus ou moins invisibles qui renseignent sur leurs conditions de croissance : « flèches d’Amour » ou « flèches de Cupidon », cristaux aciculaires droits avec les aiguilles noires de tourmaline développées de façon plus ou moins anarchique, les aiguilles brunes de goethite ou jaunes de rutile ; « cheveux de Thétys », cristaux aciculaires courbes avec les fibres vertes d’actinote ou d’un autre minéral de la vaste famille des amphiboles ; « cheveux de Vénus », avec les flèches et cheveux jaune d’or de rutile ; « yeux de taureau », avec des fibres rouges parallèles, « yeux de taureau » avec des fibres rouges, « yeux de faucon » avec des fibres bleues, « yeux de fer » avec des fibres jaunes, rouges et parties métalliques, « yeux de tigre » avec des fibres jaunes.

La cristallogenèse se fait par procédé hydrothermal, reproduisant les conditions naturelles qui ont fait naître les cristaux de roche. Dans un cylindre rempli d’eau, on dispose un fin cristal de quartz naturel sur lequel le cristal artificiel va croître (germe) et de la silice sous une forme facilement soluble. L’ensemble est soumis à une forte pression (80 MPa) et porté à haute température (400 °C) de telle manière que la partie supérieure soit légèrement moins chaude. Il se forme dans la partie basse une solution saturée en silice. Elle est entrainée par convection vers le haut du cylindre, où elle devient sursaturée. La silice se précipite alors sous forme de quartz au contact du germe. C’est un processus très lent : plusieurs semaines peuvent être nécessaires pour obtenir un cristal de 0,5 à 1 kg. La production annuelle mondiale était environ 300 tonnes en 1980.

Ce matériau ne doit pas être confondu avec l’appellation « quartz de synthèse » ou « quartz reconstitué » qui désigne un matériau mis sur le marché dans les années 1990. Ce matériau est une résine de synthèse chargée de 70 à 90 % de silice cristalline et de colorants, notamment utilisé comme plan de travail ou table dans les cuisines. À la suite d’une analyse y ayant mis en évidence en 2017 des métaux lourds (cadmium, cuivre à des doses élevées (33,7 mg/kg et 71 mg/kg pour deux échantillons analysés) ainsi que 13,57 mg de zinc par kg), des composés organiques volatils (COV), des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des phtalates, l’innocuité de ce matériau pour les installateurs, voire pour les utilisateurs a été récemment questionnée en France ; la cour d’appel de Versailles a commandé en février 2018 un rapport à deux experts indépendants à ce sujet.

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Sources : Wikipédia, YouTube.

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