Comment se forment les minéraux?
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Les minéraux se forment lorsque des éléments chimiques s’assemblent dans des conditions permettant la création d’une structure cristalline. Selon le contexte géologique, cette formation peut se produire à partir d’un magma, de fluides chauds, d’eau qui s’évapore, de réactions métamorphiques ou encore de l’altération de minéraux préexistants.
Un même minéral peut parfois se former par plusieurs processus différents. Le quartz, par exemple, peut cristalliser dans un magma, dans une pegmatite ou à partir de fluides hydrothermaux.
Les principaux processus de formation des minéraux
| Processus | Ce qui se produit | Exemples de minéraux |
|---|---|---|
| Cristallisation d’un magma | Le magma refroidit et les minéraux cristallisent | Quartz, feldspath, mica, olivine |
| Cristallisation hydrothermale | Des fluides chauds déposent des minéraux dans les fissures | Quartz, fluorite, pyrite, galène |
| Pegmatites | Les derniers fluides d’un magma produisent de gros cristaux | Quartz, feldspath, béryl, tourmaline |
| Précipitation dans l’eau | Des éléments dissous forment des minéraux solides | Calcite, aragonite |
| Évaporation | L’eau disparaît et les sels dissous cristallisent | Halite, gypse |
| Métamorphisme | Chaleur et pression transforment les minéraux existants | Grenat, kyanite, staurolite |
| Altération | Des minéraux deviennent instables près de la surface | Malachite, azurite, kaolinite |
| Sublimation volcanique | Des gaz volcaniques forment directement des cristaux | Soufre |
1. Cristallisation à partir d’un magma
Le magma est constitué de roche fondue contenant différents éléments chimiques.
En refroidissant, certains éléments s’assemblent et commencent à former des cristaux. Les minéraux ne cristallisent pas tous au même moment : leur formation dépend notamment de la température et de la composition du magma.
Un magma peut ainsi produire :
-
olivine;
-
pyroxènes;
-
amphiboles;
-
feldspaths;
-
micas;
-
quartz.
Lorsque plusieurs de ces minéraux cristallisent ensemble, ils forment une roche magmatique.
Le granite, par exemple, contient généralement beaucoup de feldspath et de quartz, accompagnés notamment de mica ou d’amphibole.
Refroidissement lent ou rapide : pourquoi la taille des cristaux change
La vitesse de refroidissement influence fortement la taille des cristaux.
Un magma qui refroidit lentement en profondeur laisse davantage de temps aux cristaux pour grandir. Les roches obtenues peuvent donc présenter des cristaux facilement visibles.
Lorsque la lave refroidit rapidement à la surface, les cristaux ont beaucoup moins de temps pour se développer. Ils restent alors très petits et peuvent devenir difficiles à distinguer à l’œil nu.
Le temps disponible pour la croissance est donc l’un des facteurs qui contrôlent la taille des cristaux.
2. Formation dans les pegmatites
Les pegmatites sont liées aux dernières étapes de cristallisation de certains magmas, particulièrement les magmas riches en silice.
Les liquides résiduels peuvent devenir riches en eau et en éléments qui ne se sont pas facilement intégrés aux premiers minéraux formés. Ces conditions favorisent parfois la croissance de cristaux exceptionnellement grands.
On peut notamment trouver dans les pegmatites :
-
quartz;
-
feldspath;
-
mica;
-
tourmaline;
-
béryl;
-
spodumène;
-
certains minéraux contenant du lithium, du tantale ou du béryllium.
Des cristaux de plusieurs centimètres, voire beaucoup plus grands, peuvent s’y développer.
Les pegmatites sont donc particulièrement importantes pour les collectionneurs de minéraux et pour certains gisements de métaux rares.
3. Formation hydrothermale
Les fluides hydrothermaux sont des eaux très chaudes circulant dans les fractures et les pores des roches.
Ces fluides peuvent transporter de nombreux éléments chimiques dissous. Lorsque leur température, leur pression ou leur composition change, certains éléments ne peuvent plus rester en solution et précipitent sous forme de minéraux.
Les fractures peuvent alors progressivement se remplir de cristaux.
Des minéraux comme les suivants sont fréquemment associés à des systèmes hydrothermaux :
-
quartz;
-
calcite;
-
fluorite;
-
barytine;
-
pyrite;
-
chalcopyrite;
-
sphalérite;
-
galène;
-
or natif.
Les veines de quartz visibles dans de nombreuses roches se sont souvent formées par ce type de circulation de fluides.
Comment se forme une géode?
Une géode commence par une cavité dans une roche.
Des solutions contenant des éléments dissous circulent ensuite dans cette cavité. Les minéraux précipitent progressivement sur les parois et leurs cristaux grandissent vers l’espace libre situé au centre.
Selon la composition des fluides, une géode peut notamment contenir :
-
quartz;
-
améthyste;
-
calcite;
-
agate;
-
célestine.
L’espace disponible permet aux cristaux de développer des faces beaucoup mieux définies que lorsqu’ils grandissent directement contre d’autres minéraux.
4. Précipitation directement à partir de l’eau
Un minéral peut également se former lorsque des ions dissous dans l’eau s’assemblent et deviennent un solide.
Cela peut arriver lorsque la composition chimique, la température, le pH ou d’autres conditions de l’eau changent suffisamment pour favoriser la précipitation.
La calcite et l’aragonite peuvent notamment se former de cette manière.
Dans les grottes calcaires, l’eau chargée en calcium et en bicarbonate peut déposer progressivement de la calcite. C’est ainsi que se développent notamment de nombreuses stalactites et stalagmites.
5. Formation par évaporation
Lorsqu’une eau contenant beaucoup de sels dissous s’évapore, ces substances deviennent progressivement plus concentrées.
Lorsque l’eau restante ne peut plus maintenir certains composés en solution, des cristaux commencent à se former.
Ces minéraux sont appelés évaporites.
Parmi les exemples classiques :
-
gypse;
-
anhydrite;
-
halite.
L’halite correspond au chlorure de sodium cristallisé. De vastes dépôts peuvent se former lorsqu’une mer, un lac salé ou un bassin isolé subit une évaporation importante.
Différents minéraux précipitent successivement selon la composition de l’eau et le degré d’évaporation.
6. Formation par métamorphisme
Le métamorphisme transforme les roches sous l’effet principalement de la température, de la pression et des fluides, sans faire fondre complètement la roche.
Les minéraux présents peuvent devenir instables dans ces nouvelles conditions. Leurs éléments sont alors réorganisés pour produire de nouveaux minéraux plus adaptés à la température et à la pression.
Des minéraux typiquement associés au métamorphisme comprennent :
-
grenat;
-
kyanite;
-
sillimanite;
-
andalousite;
-
staurolite;
-
certains micas.
La présence de certains de ces minéraux permet même aux géologues d’obtenir des informations sur les conditions subies par la roche.
Exemple : formation du grenat métamorphique
Certains grenats se développent lorsque des roches riches en éléments appropriés sont soumises à une augmentation de température et de pression.
Les nouveaux cristaux peuvent croître directement au milieu de la roche métamorphique.
On observe alors parfois des cristaux de grenat bien définis inclus dans un schiste.
Le cristal n’a donc pas nécessairement grandi dans une cavité : il s’est développé pendant la transformation de la roche elle-même.
7. Formation par altération près de la surface
Les minéraux formés en profondeur ne sont pas toujours stables lorsqu’ils arrivent près de la surface terrestre.
L’eau, l’oxygène, le dioxyde de carbone et les variations chimiques peuvent progressivement les transformer.
De nouveaux minéraux apparaissent alors aux dépens des minéraux originaux.
Dans les gisements contenant du cuivre, cette altération peut notamment produire :
-
malachite;
-
azurite;
-
cuprite.
Certaines argiles, comme la kaolinite, peuvent également résulter de l’altération de minéraux riches en feldspath.
Qu’est-ce qu’une zone d’oxydation?
La partie d’un gisement située près de la surface peut être exposée à l’eau et à l’oxygène.
Les sulfures métalliques présents en profondeur commencent alors à subir des réactions chimiques. Les éléments libérés peuvent se déplacer sur de courtes distances et former de nouveaux minéraux.
C’est pourquoi un même gisement peut présenter des minéraux très différents selon sa profondeur.
Les couleurs vertes et bleues de la malachite et de l’azurite sont particulièrement caractéristiques de certaines zones d’oxydation riches en cuivre.
8. Formation par sublimation autour des volcans
Certains minéraux peuvent se former directement à partir de gaz.
Autour des évents volcaniques et des fumerolles, des gaz très chauds s’échappent puis refroidissent. Certaines substances passent alors directement de l’état gazeux à l’état solide.
Le soufre natif constitue l’un des exemples les plus connus.
Des cristaux jaunes peuvent ainsi apparaître autour de zones volcaniques actives sans passer par une phase liquide importante.
Pourquoi certains cristaux deviennent-ils très gros?
La taille d’un cristal dépend surtout des conditions dans lesquelles il grandit.
Une croissance importante est favorisée lorsque :
-
les éléments nécessaires sont disponibles;
-
le cristal dispose d’espace;
-
les conditions restent favorables suffisamment longtemps;
-
la cristallisation n’est pas trop rapide;
-
les fluides peuvent continuer d’alimenter la croissance.
C’est pourquoi les pegmatites peuvent produire des cristaux gigantesques et les cavités peuvent contenir des cristaux parfaitement formés.
À l’inverse, un refroidissement très rapide produit généralement de petits cristaux.
Pourquoi les cristaux ont-ils différentes formes?
La structure interne du minéral détermine les orientations possibles de ses faces cristallines.
Les conditions de croissance déterminent ensuite quelles faces se développent davantage.
Un même minéral peut donc présenter plusieurs habitus tout en conservant exactement la même structure cristalline.
Le quartz peut être court et trapu ou former de longs prismes. La calcite peut développer de nombreux habitus différents. La fluorite peut apparaître sous forme cubique ou octaédrique.
La forme extérieure dépend donc à la fois de la structure du minéral et de son environnement de croissance.
Combien de temps faut-il pour former un minéral?
Il n’existe pas de durée universelle.
Certains cristaux peuvent se former relativement rapidement lorsque les conditions sont favorables, tandis que d’autres processus géologiques se déroulent sur des milliers ou des millions d’années.
La taille d’un cristal ne permet pas directement de déterminer son âge.
Un gros cristal n’est donc pas nécessairement plus vieux qu’un petit cristal. Il peut simplement avoir bénéficié de meilleures conditions de croissance.
Un même minéral peut-il se former de plusieurs façons?
Oui.
Le quartz est un excellent exemple.
Il peut cristalliser :
-
directement dans un magma;
-
dans une pegmatite;
-
dans une veine hydrothermale;
-
dans une géode;
-
pendant certains processus métamorphiques.
Le résultat reste du quartz, mais son contexte géologique et son aspect peuvent être très différents.
C’est pourquoi identifier un minéral ne suffit pas toujours à déterminer comment le spécimen s’est formé.
Tableau pratique : quel processus a formé le minéral?
| Observation ou contexte | Processus possible |
|---|---|
| Cristaux dans un granite | Cristallisation magmatique |
| Très gros cristaux associés à quartz et feldspath | Pegmatite |
| Cristaux remplissant une fracture | Hydrothermal |
| Cristaux tapissant une cavité | Précipitation dans une géode |
| Dépôt de sel ou de gypse dans un bassin | Évaporation |
| Grenat inclus dans un schiste | Métamorphisme |
| Malachite au-dessus d’un gisement de cuivre | Altération et oxydation |
| Soufre près d’une fumerolle | Sublimation |
Comment déterminer comment un minéral s’est formé?
Le minéral seul ne donne pas toujours la réponse. Il faut examiner son contexte géologique.
Les informations les plus utiles sont :
-
la roche qui l’entoure;
-
les autres minéraux associés;
-
la présence d’une veine ou d’une cavité;
-
la forme et la taille des cristaux;
-
l’altération visible;
-
la géologie du gisement.
Un quartz provenant d’une veine traversant une roche possède probablement une histoire différente d’un quartz inclus dans un granite ou d’une améthyste tapissant l’intérieur d’une géode.
Le contexte permet donc de passer de la simple identification du minéral à la compréhension de sa formation.
Les principaux processus à retenir
La majorité des minéraux rencontrés dans les roches et les collections peuvent être reliés à quelques grands processus :
cristallisation magmatique, pegmatites, circulation hydrothermale, précipitation, évaporation, métamorphisme, altération et sublimation volcanique.
Ces processus peuvent également se succéder. Un minéral formé en profondeur peut être transformé par métamorphisme, exposé à la surface puis altéré en de nouveaux minéraux.
Comprendre comment les minéraux se forment permet ainsi de mieux comprendre pourquoi certaines espèces apparaissent ensemble, pourquoi elles possèdent certaines formes et dans quels environnements géologiques elles peuvent être recherchées.
