Quartz (minéral)

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).

Sommaire

1 Histoire
2 Propriétés physiques
- 2.1 Problème de classification
3 Variétés
4 Gisements
5 Macles
6 Utilisation
- 6.1 Composant électronique
7 Lien externe

[modifier] Histoire

Le quartz est connu depuis la plus haute antiquité :

les anciens grecs se servaient de boules de cristal de roche pour se refroidir les mains en été : le quartz est en effet un excellent isolant thermique et électrique ; le mot « cristal » dérive d'ailleurs du grec Κρύος, froid ;
l'améthyste avait la réputation de protéger de l'ivresse (a- privatif puis μέθυσος, ivre, même radical grec que εθυ- dans éthylique).

[modifier] Propriétés physiques

Très dur (7 sur l'échelle de Mohs), le quartz α cristallise dans le système rhomboédrique entre 0 et 573 °C et le quartz β dans le système hexagonal entre 573 et 870 °C à la pression atmosphérique normale.

À 573 °C, le quartz α (forme basse température) se transforme en quartz β (forme allotropique à 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.

[modifier] 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 alpha 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 alpha est donc trigonal, car le quartz alpha 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 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.

Actuellement, la classification dans le système réticulaire hexagonal reste admise par la majorité des cristallographes, classification mettant donc de côté le système cristallin.

[modifier] Variétés

Les principales variétés sont :

l'améthyste (quartz violet), qui doit sa couleur violette à une faible proportion de fer (quelques dix-millièmes). Cette coloration disparaît à la chaleur ;
l'amétrine, quartz qui possède à la fois la couleur de l'améthyste et la couleur de la citrine ;
la citrine (quartz jaune), ou fausse topaze, doit sa coloration à la présence d'oxyde de fer. La citrine peut être obtenue en chauffant de l'améthyste ;
le quartz fumé (ou enfumé), dont :
- le morion, presque noir ;
le quartz hématoïde (rouge-brun) ;
le quartz hyacinthe (orange) ;
le quartz hyalin (limpide et incolore), dont :
- le cristal de roche, particulièrement transparent ;
le quartz laiteux (blanc et translucide) ;
le quartz lie-de-vin (rouge opaque) ;
le quartz rose.

Les variétés bleues ou vertes sont beaucoup plus rares (quartz saphir, par exemple).

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

L'opale est une autre variété recherchée de la silice.

améthyste	amétrine	citrine	cristal de roche
héliotrope	jaspe	quartz Jacinto de Compostela	quartz rose

[modifier] Gisements

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.

[modifier] Macles

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

Nom	Élément de macle	indice	obliquité	angle entre les axes c
Dauphiné ou Suisse	[001] (π)	1	0º	0º
Brésil	$(11\bar{2}0)$ ou $\bar{1}$	1	0º	0º
Leydolt ou Liebisch (macle combinée Dauphiné – Brésil)	(0001)	1	0º	0º
Macle à angle droit (synthétique)	[210] (π/2)	2	5º27’	90º
Japon ou Gardette (α) / Verespatak (β)	$(11\bar{2}2)$	2	5º27’	84º34'
Esterel	$(10\bar{1}1)$	3	5º48’	76º26'
Sella (α) / Sardaigne (β)	$(10\bar{1}2)$	3	5º48’	115º50'
Belowda Beacon	$(30\bar{3}2)$	4	4º43’	55º24'
Breithaupt	$(11\bar{2}1)$	5	4º22’	48º54'
Wheal Coates	$(21\bar{3}1)$	6	2º55’	33º08'
Cornouailles	$(20\bar{2}1)$	7	1º25’	42º58'
Pierre-Levée	$(21\bar{3}3)$	7	6º32’	83º30'
Zinnwald	---	---	---	macle monopériodique

[modifier] Utilisation

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)

[modifier] Composant électronique

Voir l’article Quartz (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.