Mots clés : cristal, quartz, améthyste, cristallisation, hydrothermalisme continental, dissolution, prisme hexagonal, fracture, filon

Quartz synthétique et quartz naturel

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire des Sciences de la Terre

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

07/02/2005

Résumé

Quartz synthétiques sans défaut pour les besoins de l'industrie et quartz naturels.


Figure 1. Vue d'un quartz synthétique sous quatre de ses six faces

Vue d'un quartz synthétique sous quatre de ses six faces

On voit bien à gauche le reste du fil d'argent servant à attacher la lamelle germe. On devine d'ailleurs cette lamelle germe (vue par la tranche à travers le cristal) au centre de la face 4.


Le quartz cristallisé est très utilisé dans l'industrie électronique (oscillateur, horloge, et autres applications de la piezo-électricité). Les cristaux naturels sans défaut étant beaucoup trop rares, l'industrie fabrique des quartz de synthèse en faisant cristalliser de la silice dans le même système cristallin que la nature, le système rhomboédrique pseudo-hexagonal.

Pour cela, on utilise le fait que le quartz est soluble à hautes température et pression, et à pH basique. On utilise un autoclave en forme de colonne de très grande taille (> 0,5 m de diamètre et > 10 m de haut). On y dissout du quartz naturel (mais mal cristallisé) dans de l'eau à haute température (plusieurs centaine de degrés kelvin), haute pression (plusieurs dizaines d'atmosphères) et à pH > 11 (les valeurs exactes sont des secrets industriels). On maintient une différence de température de quelques dizaines de degrés entre le bas (plus chaud) et le haut (plus froid). Le quartz est plus soluble à haute qu'à basse température. Il "suffit " alors de régler la température, la pression et le pH pour que le quartz se dissolve en bas de l'autoclave, et précipite en haut. Au sommet de l'autoclave, des lamelles de quartz sont suspendues dans la solution par des fils d'argent. Au cours du temps (plusieurs semaines), ces lamelles de quartz qui servent de germe de cristallisation croissent et deviennent de beaux cristaux de quartz.

La figure 1 montre le même cristal, vu sous quatre de ces six faces (la pièce de 2 € donne l'échelle). On voit bien à gauche le reste du fil d'argent servant à attacher la lamelle germe. On devine d'ailleurs cette lamelle germe (vue par la tranche à travers le cristal) au centre de la face 4.

Ce procédé de synthèse du quartz s'apparente à de l'hydrothermalisme. Les eaux circulant dans des fractures en profondeur dans la croûte continentales sont à hautes température et pression, et leur Ph est parfois assez élevé. Ces eaux peuvent dissoudre une quantité notable de silice à grande profondeur. Si au cours de leur cheminement elles montent (baisse de température et de pression), alors la silice cristallise sur les bords de la fracture (qui servent de germes), et il se développe de très beaux cristaux de quartz, comme on peut en trouver tapissant les fractures dites "alpines" dans les massifs cristallins externes des Alpes françaises, et également dans de nombreux filons du Massif Central, du massif Armoricain...

La figure 2 montre une de ces parois de fracture tapissée de ces quartz (échantillon de 6 cm de coté, ramassé près de l'Alpe d'Huez ,38). Si les eaux contiennent certains types d'impuretés, celles-ci peuvent s'intégrer au réseau cristallin du quartz, et lui conférer de belles couleurs. Quelques parties par million (ppm) de manganèse (et/ou de fer) vont lui donner une belle couleur violette ; le quartz s'appellera alors améthyste (figure3, échantillon de 5 cm de coté, provenant du Mexique).

On peut noter que le quartz cristallise en faisant des beaux prismes hexagonaux. La raison n'en est absolument pas la même que pour les coraux, les argiles ou les roches volcaniques (cf semaines précédentes) : il s'agit là d'un ordre interne des atomes, intrinsèque à la maille cristalline du quartz, et non pas d'un problème de rapport surface/volume. C'est pour cela qu'il existe sept systèmes cristallins et un nombre quasi infini de formes macroscopiques des cristaux.

Figure 2. Paroi de fracture tapissée de quartz

Paroi de fracture tapissée de quartz

Échantillon ramassé à l'Alpe d'Huez (Isère). Le grand cristal central mesure environ 1cm.


Figure 3. Améthyste

Améthyste

L'améthyste est du quartz coloré par quelques impuretés de manganèse et de fer.


Dans les semaines prochaines, nous vous montrerons d'autres cristallisations dans des filons hydrothermaux.

Mots clés : cristal, quartz, améthyste, cristallisation, hydrothermalisme continental, dissolution, prisme hexagonal, fracture, filon