Quartz (minéral)

Le quartz est une espèce minérale du groupe des silicates, sous-groupe des tectosilicates composé de dioxyde de silicium de formule SiO₂ (silice), avec des traces de Al;Li;B;Fe;Mg;Ca;Ti;Rb;Na;OH.

Il se présente soit sous la forme de grands cristaux incolores, colorés ou fumés, soit sous la forme 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).

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 minerai. 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.

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 normale.

À 573 °C, 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 8,29 % 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.

Propriétés optiques

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

C'est en 1907 que le cristallographe allemande Otto Muegge (Mügge) a montré les différences qui existaient entre le quartz alpha et le quartz Beta.

La structure cristalline est hexagonale à haute température (quartz β (Quartz Beta). groupe d'espace P 6₄21 ou P 6₂21), trigonale à basse température (quartz α groupe d'espace P 3₁21 ou P 3₂21). 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.

Problème de classification

• 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 P  3₁21 (quartz gauche) ou P  3₂21 (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 Wikipedia à 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.

• Paramètres de la maille conventionnelle : a = 4.9133 Å, c = 5.4053 Å, Z = 3; V = 113.00 Å

• Densité calculée = 2.65

• Alpha-Quartz, Quartz-Alpha, Quartz α
• azetulite; azeztulite
• conite (Mac Culloch)
• dragonite
• konilite (variante de conite)
• lodolite (quartz à inclusion du Minas Gerais)

• Variété cristallines

• l'améthyste

• l'amétrine

• la citrine

• le quartz ferrugineux

• le quartz fumé ou morion

• le quartz hématoïde

• le quartz prase

• le quartz rose

• Les Variétés cryptocristallines

• calcédoine (silex, agate, onyx, cornaline, jaspe (mélange de quartz et de calcédoine), héliotrope (jaspe vert à taches rouges)).

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.

La cristallogénèse 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.

Le quartz se présente souvent maclé. Un grand nombre de macles du quartz est connu : les plus importantes sont résumées dans le tableau suivant.

Dans la nature, le quartz se présente rarement sous la forme de monocristaux de qualité suffisante pour l'industrie, qui utilise ses propriétés piézoélectriques (présence de macles). Les cristaux peuvent également comporter des inclusions, liquides, gazeuses — quartz aérohydres — ou solides, par exemple d'amphibole, de hornblende ou de rutile. Domaines d'applications du quartz :

• La réalisation de sols industriels (anti-usure)
• L'épuration des eaux
• Le sablage industriel
• Matériau de décoration (parcs, allées, parkings…)
• Aménagement de terrains de golf (Bunkers)
• Horlogerie
• Joaillerie

Composant électronique

Les propriétés piézoélectriques du quartz en font un élément incontournable des horloges modernes (voir fréquence propre) ; le quartz constitue un excellent résonateur, son facteur de qualité à vide dépassant souvent les 500 000. Il est utilisé soit dans les oscillateurs à grande stabilité (références de temps secondaires), soit dans les filtres de haute qualité — par exemple, en BLU (Bande latérale unique).

Il existe plusieurs coupes de quartz possédant différentes propriétés : la plus répandue est la coupe AT, qui présente une bonne stabilité en température (les coupes AT sont spécifiées généralement pour que le point d'inflexion de la courbe ν = f(T) se trouve à 25 °C) ; la coupe BT permet des fréquences de résonance assez basses (< 1 MHz) ; la coupe SC possède le meilleur facteur de qualité Q et donne donc les oscillateurs les moins bruyants.

Les quartz sont utilisés soit en mode fondamental (en dessous d'environ 30 MHz), soit en mode harmonique (overtone : jusqu'à environ 150 MHz), ce qui leur donne un facteur de qualité plus important, mais pose un problème de démarrage des oscillateurs.

Production de feu

Puisqu'il est très commun et dur, le quartz peut être employé, tout comme le silex, pour démarrer un feu : l'étincelle produite par la percussion d'une lame en acier, permet d'enflammer un matériau combustible tel l'amadou.