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Quartz - Définition du Minéral - Propriétés, variétés du quartz

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Quartz

Définition du Quartz

Oxyde de silicium cristallisant dans le système hexagonal (hémiédrie rhomboédrique) (voir. améthyste, citrine, cristal de roche).

Étymologie du quartz

Quartz roseIl s'agirait d'un terme minier d'origine germanique — quaderz — qui signifiait mauvais minerai ou gangue, comme l'indique cette vieille invocation :

« Dieu, qui crée le terne (Kies), le brillant (Glanz) et la gangue (Quertz), Transforme chez nous cette dernière en minerai (Erz). »

- Kies est un minerai métallique à éclat de laiton, comme la chalcopyrite (Kupferkies, gravier de cuivre).
- Glanz
est un minerai métallique à éclat d'argent comme la galène {Bleiglanz, splendeur de plomb) ou l'oligiste (Eisenghnz, splendeur de fer).

Les mineurs germaniques étaient très demandés dans toute l'Europe, et ont répandu ce terme qui ne désignait au XVIIIe siècle que le quartz massif, grenu, dur, considéré comme « mère » du cristal de roche. Toute la famille fut désignée par quartz dans le courant du XIXe siècle.

Le terme quartz a pu être emprunté aux Slaves par les Germaniques : le slavon ancien tvrudu, dur, devenu kwardy en slave occidental, tvrdy en tchèque et twardy en polonais, aurait donné quad(erz) chez les mineurs.

Une autre hypothèse fait un parallèle entre la tradition latine qui a transformé silex, silicis (pierre) en silice, et calx, calcis (caillou) en calcaire, et une tradition germanique qui aurait transformé criez (gravier) en Kies et Kiesel (silice), Griess (gravier, en allemand moderne) et quartz.

Propriétés physiques du quartz

Le silicium forme des tétraèdres (SiO^) dont chaque sommet est constitué par un oxygène. Par la mise en commun d'un sommet, ces tétraèdres composent des chaînes hélicoïdales de symétrie trois (quartz et, de basse température), ou de symétrie six (quartz (3, de haute température, c'est-à-dire formé à plus de 573 °C). Assemblées par les sommets des tétraèdres restés libres, ces chaînes constituent un édifice cristallin dont l'architecture lacunaire rend bien compte des faibles constantes physiques du minéral (dureté 7 par définition ; densité 2,65 ; indices de réfraction extraordinaire 1,553 et ordinaire 1,544 ; uniaxe positif avec une biréfringence de 0,009).

Le quartz n'a pas de clivage net et sa cassure est conchoïdale, avec un éclat vitreux et même quelquefois un peu gras.

L'architecture hélicoïdale rend également compte de deux propriétés particulières du quartz : le pouvoir rotatoire, facilement visible entre niçois croisés sur des « rouelles » de quartz, généralement taillées perpendiculairement à l'axe optique, et la piézoélectricité, qui trouve une application en horlogerie.

Principales variétés de quartz

Quartz vert de ChineQuartz pur

Le quartz pur est incolore et transparent (cristal de roche), mais, le plus souvent, il est blanc laiteux, plus ou moins translucide (quartz girasol, quartz laiteux). Il peut aussi être brunâtre (quartz enfumé, quartz fumée, cairngorm), parfois presque noir (morion), coloration due à une irradiation naturelle qui provoque des accidents structuraux en présence, probablement indispensable, d'aluminium substituant du silicium dans les sites tétraédriques

Quartz noir

Par exposition devant une source radioactive puissante, un quartz incolore peut être transformé en quartz noir ; une décoloration peut ensuite être obtenue par chauffage. De nombreux quartz blancs de l'Arkansas (États-Unis) ont été ainsi traités ces dernières années ; le faciès typique des quartz enfumés naturels permet de différencier immédiatement les quartz irradiés des quartz naturels.

Quartz violet, jaune, verte et rose

Le quartz violet est désigné sous le nom d'améthyste, dont la coloration, souvent irrégulièrement répartie à l'intérieur du cristal, est liée à la présence d'ions fer. Chauffée vers 250 °C, l'améthyste se décolore puis, vers 500 °C, devient jaune (citrine), parfois verte (prasiolite). Le quartz rose doit sa couleur à des inclusions très fines de rutile. Dans le quartz hématoïde, la couleur est liée à la présence d'hydroxydes ferriques.

Quartz cheveux de thétis, de Vénus, flèches d'amour, iris...

Le quartz peut « piéger » au cours de sa croissance divers minéraux susceptibles de lui donner un aspect particulier : le quartz cheveux de Vénus (cristaux de rutile de couleur jaune doré à rouge) ; le quartz cheveux de Thétis (aiguilles d'actinote verte) ; le quartz flèches d'amour (aiguilles de tourmaline noire) ; le quartz iris (à fêlures irisées).

Parfois, l'abondance des inclusions le rend translucide à opaque ; cet aspect peut aussi être dû à une précipitation minérale dans le cristal sous forme d'exsolutions de rutile, de gouttelettes d'eau, etc. Les principales variétés sont le quartz girasol, translucide, le quartz laiteux, opaque, contenant de l'eau microscopique ; le quartz rose, contenant du rutile microscopique ; le quartz hématoïde, crocidolite riche en limonite ; le quartz chloriteux, contenant de la vermiculite, de la chlorite ou de la ripidolite ; le prase, riche en actinote ; les quartz à cacoxénite, à chrysocole, à dumortiérite, à riebeckite, etc.

Quartz lazuliLes inclusions peuvent parfois provoquer des effets optiques particuliers : aventurine, riche en micas verts ou hématite, rouge ; quartz œil-de-chat, à fibres, en général d'actinote, orientées parallèlement ; quartz ceil-de-faucon, riche en fines aiguilles cristallines de riebeckite bleue ; œil-de-tigre contenant de la riebeckite oxydée jaune ; œil-de-taureau avec riebeckite oxydée rouge ; ceil-de-fer avec riebeckite oxydée d'aspect métallique, etc.

Le quartz peut aussi fournir des variétés fibreuses microcristallisées (calcédoine), ainsi que des variétés grenues plus ou moins pures (jaspes, etc.). Suivant leur couleur, les calcédoines ont reçu des noms variés : calcédoine commune (grise à blanche), onyx (noir), sardoine (brune), cornaline (rouge), chrysoprase (verte), calcédoine bleue.

Lorsque la calcédoine comporte des inclusions, ou des zones plus ou moins concentriques diversement colorées, elle prend le nom d'agate : agate mousse, herborisée, arborisée, agates xyloïdes ou bois silicifiés, agates rubanées appelées, lorsqu'elles sont bicolores, par le nom des calcédoines correspondantes : onyx, ou nicolo (blanc et noir), sardonyx (blanc et brun). Lorsque la disposition des couleurs est irrégulière, le terme jaspes est utilisé.

Parmi ceux-ci, le jaspe vert ou plasma et le jaspe sanguin ou héliotrope (vert à ponctuation rouge) sont particulièrement appréciés.

Quartz cristallisé

Le quartz se présente sous plus d'une centaine de formes cristallines aux faciès différents selon son origine, le plus souvent en prismes hexagonaux terminés aux deux extrémités par une pyramide hexagonale. Les faces de ce prisme sont facilement reconnaissables, grâce à la présence de stries horizontales ; certaines faces sont parfois plus développées que d'autres si bien que la section du prisme et de la pyramide le surmontant paraissent triangulaires.

Par suite du développement anormal de l'une des faces de la pyramide, les quartz des fentes alpines montrent des terminaisons en sifflet (La Gardette, Isère) avec un prisme parfois fort aplati qui donne l'impression d'un faciès pseudo-orthorhombique.

Dans les formations filoniennes de basse température, les cristaux ne montrent que leur pyramide.

Dans les pegmatites, les cristaux sont souvent déformés : les « quartz fenêtres » présentent des faces dont la surface, en escalier négatif, résulte de dislocations du réseau cristallin pendant la croissance ; les « quartz sceptres », constitués par un cristal biterminé surmontant un prisme hexagonal plus fin, sont parfois diversement colorés.

Les macles du quartz, fréquentes et variées, résultent de pénétration ou d'accolement. Dans le premier cas, les deux cristaux sont si intimement mêlés qu'ils donnent l'impression de ne former qu'un seul individu : la présence de certaines faces du trapézoèdre permet toutefois de les distinguer (macles du Dauphiné et du Brésil). Dans le second cas, les cristaux, symétriques par rapport au plan de leur face commune, sont en général aplatis (macle de La Gardette ou du Japon).

Certains cristaux de quartz peuvent peser plusieurs dizaines de tonnes, tout en gardant une certaine translucidité (État de Minas Gérais au Brésil) ; en France, le cristal de Saint-Paul-la-Roche (Dordogne) dépasse deux mètres de hauteur.

Gisements de quartz

Gisement de quartzMode d'expression de la silice libre dans toutes les roches acides (granités, granodiorites, syénites, etc.), le quartz peut s'observer dans les roches microgrenues et dans les laves, où il apparaît sous forme de petits cristaux bipyramidés, souvent de grande qualité.

Dans les pegmatites granitiques, il est plus particulièrement abondant dans la zone « à blocs » (voir. béryl) ; il peut atteindre de très grandes dimensions dans le cœur quartzeux des grands corps pegmatitiques, constituant des masses de plusieurs milliers de tonnes, comme au Brésil.

Dans les gîtes minéraux, dont il est souvent la principale gangue, il est fréquent notamment dans les gisements stanno-wolframifères, où il peut se concentrer dans de magnifiques géodes, comme à Panasqueira (Portugal).

Dans les fentes alpines, le quartz se trouve à la limite des conditions pneumatolytiques et hydrothermales des filons de minerais métalliques.

Dans les roches métamorphiques (micaschistes, gneiss), il est répandu, mais ne forme pas de beaux cristaux.

Enfin, il existe dans certaines roches sédimentaires sous forme de petits éléments.

L abondance du quartz dans la croûte terrestre continentale jusqu'à une profondeur de 18 km (il en constitue 18 % du volume) en fait une espèce minérale universellement répandue. C'est le principal constituant des poussières ; c'est pourquoi les gemmes rayées par le quartz sont difficilement utilisables en joaillerie.

Quartz de synthèse

Tubes en quartz synthétiqueLes propriétés électriques du quartz, associées à sa ténacité, son absence de clivage et, dans une certaine mesure, sa transparence aux rayons ultraviolets font de ce minéral une très importante matière première pour l'industrie, notamment électronique.

Ces propriétés ont motivé sa production industrielle dans le but d'obtenir des cristaux purs et non maclés, rares dans la nature. Les excellents résultats acquis par Spezia, dès 1905, furent mis en application durant la Seconde Guerre mondiale : les cristaux de quartz les meilleurs croissent sur un germe correctement orienté, dans une solution aqueuse alcaline, à une température comprise entre 200 et 500 °C, sous des pressions pouvant atteindre 1 800 atmosphères, à une vitesse de l'ordre de 2 mm par 24 h dans la direction axiale.

La synthèse est réalisée dans un autoclave à l'intérieur duquel un gradient de température est établi pour assurer le transport de la silice jusqu'aux germes de croissance ; plusieurs milliers de tonnes de quartz sont ainsi produites annuellement par l'industrie. La seule difficulté, majeure, est l'obtention de germes de grande qualité, à partir de cristaux naturels purs, non maclés et de grandes dimensions (plus de 30 cm suivant le diamètre recherché). Le prix de revient élevé de ces cristaux synthétiques ne permet pas leur utilisation courante dans la bijouterie fantaisie.

L'influence de divers dopants a été très rapidement étudiée : des quartz bleus cobaltifères ont été commercialisés en Russie vers 1969.

L'analyse du mécanisme des centres chromogènes améthyste, citrine et fumée a permis de mettre en évidence les rôles du fer, de l'aluminium et de l'hydrogène ; le minéralogiste russe Balitsky a montré ensuite l'importance déterminante de l'acidité et du potentiel d'oxydation dans les solutions siliceuses destinées à obtenir la cristallisation de quartz colorés, et il réussit, dès 1976, à obtenir des améthystes synthétiques exemptes de tons bruns ou jaunes et des citrines synthétiques.

Le procédé consiste soit à cristalliser un quartz ne comportant que des centres chromogènes potentiels améthyste (fer trivalent substituant le silicium) dans une solution neutre à 200 et 400 °C sous 150 à 1 000 atm, puis à révéler ces centres par irradiation ; soit à cristalliser un quartz comportant des centres chromogènes citrine (aluminium se substituant au silicium et ions alcalins dans les lacunes structurales) dans une solution alcaline. Des amétrines synthétiques ont été obtenues dès 1995.

Bien que fort convaincants, tous ces cristaux n'ont qu'un succès commercial limité, leur prix de revient élevé concurrencent difficilement celui des cristaux naturels très abondants.

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