Les tests d'identification des minéraux

Dans cette page :

• Introduction
• Tests non destructifs
  • La couleur
  • L'éclat
  • La forme cristalline ou habitus
  • La transparence
  • La fluorescence
  • Le magnétisme
  • La radioactivité
• Tests destructifs
  • La dureté
  • La densité
  • La trace
  • La réaction à l'acide ou réaction d'effervescence
  • Le clivage et la cassure
  • La solubilité et le goût
• Quelques références utiles

Introduction

L’identification d’un minéral passe toujours par la réalisation de tests. La plupart des minéraux peuvent en effet être caractérisés et classés selon leurs propriétés physiques uniques, comme la dureté, l’éclat, la couleur, la trace, la densité, le clivage, leur réaction à l’HCl, la fluorescence, le magnétisme, le goût…

Certains de ces tests sont destructifs (ils vont provoquer la destruction ou l’altération d’une partie de l’échantillon) et d’autres non-destructifs.

Tests non destructifs

On utilise couramment des propriétés comme la couleur, l’éclat, la forme cristalline ou habitus, la transparence, la fluorescence, le magnétisme ou encore la radioactivité.

1. La couleur

Il y a une grande variété de couleurs chez les minéraux. C’est un critère peu utilisé, en effet, un même minéral peut présenter des couleurs très différentes (ex : le quartz peut être transparent (= cristal de roche), blanc (= quartz laiteux), violet (= quartz améthyste), noir (= quartz fumé), jaune (= quartz citrine) …).

Des spécimens de  même couleur peuvent aussi correspondre à des minéraux très différents (ex : de nombreux minéraux métalliques ont une couleur qui rappelle celle de l’or comme la pyrite, la chalcopyrite…).

La couleur doit toujours être observée sur une cassure fraîche, car l'altération superficielle peut modifier la couleur, particulièrement chez les minéraux à éclat métallique.

2. L'éclat ('luster')

L'éclat des minéraux, c'est l'aspect qu'offre leur surface lorsqu'elle réfléchit la lumière. On décrit l’éclat d’un minéral par un mot (ex : vitreux). On distingue deux catégories principales : les minéraux à éclat métallique et ceux à éclat non-métallique. L’éclat peut varier selon les spécimens.

Tableau 1 : Types d'éclat des minéraux.

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3. La forme cristalline ou habitus ('crystal shape or habit')

L'habitus est la morphologie caractéristique d'un cristal, c'est-à-dire le mode d'association le plus fréquent de ses formes cristallines. Il existe de nombreux types d’habitus (voir tableau).

Tableau 2 : Types d'habitus des minéraux.

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4. La transparence ('diaphaneity or transparence')

Elle est définie comme la propriété du minéral à laisser passer la lumière. On distinguera par exemple des minéraux transparents (comme le cristal de roche, qui est une variété de quartz, ou la calcite spathique), translucides (ex : certaines variétés de gypse, de calcite ou de quartz) ou opaques (ex : magnétite, galène, pyrite).

5. La fluorescence

Certains minéraux possèdent une propriété physique intéressante appelée « fluorescence ». Ces minéraux ont la capacité d’absorber temporairement une petite quantité de lumière et de libérer un instant plus tard une petite quantité de lumière d’une longueur d’onde différente. Ce changement de longueur d'onde provoque un changement temporaire de couleur du minéral dans l'œil d'un observateur humain.

Le changement de couleur des minéraux fluorescents est plus spectaculaire lorsqu’ils sont éclairés dans l’obscurité par la lumière ultraviolette (qui n’est pas visible pour les humains) et qu’ils libèrent de la lumière visible.

La fluorescence des minéraux se produit lorsqu’un spécimen est éclairé par des longueurs d’onde de lumière spécifiques. La lumière ultraviolette (UV), les rayons X et les rayons cathodiques sont les types de lumière typiques qui déclenchent la fluorescence.

La plupart des minéraux n’ont pas de fluorescence notable. Seulement environ 15 % des minéraux ont une fluorescence visible par les humains, et certains spécimens de ces minéraux ne seront pas fluorescents. La fluorescence se produit généralement lorsque des impuretés spécifiques appelées « activateurs » sont présentes dans le minéral. Ces activateurs sont généralement des cations de métaux (comme le tungstène, le plomb, le bore, le titane, le manganèse, l'uranium, le chrome). Les éléments des terres rares tels que l'europium, le terbium, le dysprosium et l'yttrium sont également connus pour contribuer au phénomène de fluorescence. La fluorescence peut également être causée par des défauts structurels cristallins ou des impuretés organiques.

En plus des impuretés « activatrices », certaines impuretés ont un effet amortisseur sur la fluorescence. Si du fer ou du cuivre sont présents comme impuretés, ils peuvent réduire ou éliminer la fluorescence. De plus, si le minéral activateur est présent en grande quantité, cela peut réduire l’effet de fluorescence.

La plupart des minéraux émettent une fluorescence d’une seule couleur. D'autres minéraux ont plusieurs couleurs de fluorescence.

Exemples de minéraux fluorescents :

• la fluorite (premier minéral observé) produit une lueur bleue lorsqu'elle est éclairée par une lumière invisible,
• la calcite a de multiples couleurs de fluorescence (rouge, bleu, blanc, rose, vert et orange),
• la dolomite, la barytine, l’aragonite, le quartz peuvent également présenter une fluorescence (…)

6. Le magnétisme ('magnetism')

Il est défini comme la capacité de minéraux riches en fer à être attirer par un aimant. Exemples de minéraux magnétiques :

• Chromite (FeCr₂O₄) : faiblement magnétique
• Ilménite (Fe₂TiO₃) : faiblement magnétique
• Pentlandite ((Fe, Ni)₉S₈) : magnétique lorsque chauffée
• Magnétite (Fe₃O₄) : fortement magnétique
• Pyrrhotite (Fe₁-_xS) : fortement magnétique
• Sidérite (FeCO₃) : faiblement magnétique lorsque chauffée

7. La radioactivité ('radioactivity')

Elle est définie comme la capacité à émettre un rayonnement invisible (de type alpha, bêta, gamma). Exemples de minéraux radioactifs :

• Composés à base d'uranium, par exemple l’uraninite (= pechblende), l'uranophase, la torbernite, l'autunite
• Composés à base de thorium, par exemple la thorite, la thorianite, la brannerite.

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Tests destructifs

Les tests destructifs sont particulièrement utiles car ils vont permettre notamment de mesurer certaines propriétés physiques quantifiables. Ils vont provoquer une altération, voire une destruction de l’échantillon à tester. Il faut donc les réaliser uniquement si nécessaire et faire le test sur la plus petite zone possible.

Les tests les plus courants sont les tests de dureté, de densité, de la trace (ou du trait), le test à l’acide, le clivage et la cassure, ou encore la solubilité et le goût.

1. La dureté ('hardness')

La dureté correspond à la résistance opposée par le minéral à la rayure provoquée par une action mécanique externe.

La dureté est un critère très important dans la méthode d’identification des minéraux, qui permet souvent d'identifier rapidement un minéral (avec la prise en compte d'autres facteurs). L'échelle la plus souvent utilisée est celle de Mohs (1822) qui donne une échelle de dureté de 1 à 10 avec 10 minéraux types.

Tableau 3: Echelle de dureté de Mohs (1812).

Attention, l’échelle de Mohs est une échelle de dureté relative, qui compare la dureté des différents minéraux les uns par rapport aux autres. Mais si on évalue leur dureté réelle (plusieurs méthodes de mesure existent), on peut se rendre compte par exemple que le diamant, de dureté 10, est environ 4 fois plus dur que le corindon, de dureté 9, et 7 fois plus dur que le topaze, de dureté 8 (tableau suivant).

Tableau 4: Comparaison entre la dureté des minéraux de référence dans l’échelle de Mohs (dureté relative) et leur dureté réelle (échelle de Vickers*).

* Les chiffres proviennent de cet article : “Correlation of the Mohs's scale of hardness with the Vickers' s hardness numbers”, par Taylor W.E., 1949. https://rruff.info/doclib/MinMag/Volume_28/28-206-718.pdf

Tableau 5: Dureté de quelques minéraux.

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2. La densité ('relative density, or specific gravity')

La densité des minéraux est une propriété mesurable ; c’est une constante physique qui caractérise un minéral donné. La densité (ou densité relative d'un corps) est le rapport entre la masse d'un volume d'un liquide ou d'un solide et la masse d'un même volume d'eau (pure) à 4 °C. La densité s’exprime par un nombre sans unité et le symbole usuel est ‘d’. Attention, en anglais, on parlera de ‘relative density’ (RD) ou encore de ‘specific gravity’.

La densité est souvent confondue avec la masse volumique, qui est le rapport entre la masse d’un corps et le volume occupé par ce même corps, et qui s’exprime quant à elle avec une unité (par exemple en g.cm^-3 ou kg.m^-3). Le symbole usuel de la masse volumique est la lettre grecque ρ (‘rho’). Attention en anglais, la notion de masse volumique sera traduite par le mot ‘density’ (!!!).

Note : Densité et masse volumique sont équivalentes dans le cas où la masse volumique du minéral à tester est comparée à celle de l’eau pure (de l’eau distillée) à une température de 4°C : dans ce cas, la masse volumique de l’eau est égale à 1g.cm^-3.

Beaucoup de minéraux ont une densité qui se situe autour de 2,6 à 3, soit 2,6 à 3 fois plus lourd qu'un volume égal d'eau. En règle générale, les minéraux non métalliques ont une densité faible, contrairement aux minéraux métalliques. Les minéraux les plus denses ont une densité qui atteint 20 voire plus.

La densité se calcule sur une échelle de 1 à 20 :

• Minéraux légers (1 - 2)
• Moyennement lourds (2 - 4)
• Lourds (4 - 6)
• Très lourds (plus de 6)

En sédimentologie, on parle de ‘minéraux lourds’ lorsque la densité est supérieure à 2.89 (cette valeur correspond à la densité du bromoforme, liquide utilisé pour séparer les minéraux lourds en laboratoire).

Tableau 6: Densité de quelques minéraux.

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3. La trace ('streak')

Le trait (ou trace) est la couleur d’un minéral réduit en poudre. Cette caractéristique s’obtient en frottant un échantillon minéral sur la surface dépolie d’une porcelaine non émaillée.

La couleur de la trace est peu influencée par les impuretés contenues dans le minéral, au contraire de la couleur du minéral qui peut varier beaucoup. Déterminer la couleur de la trace permet donc de confirmer certaines déterminations, en particulier pour des minéraux de couleur identique. Les exemples les plus classiques sont fournis par l'hématite (trait rouge-brun) et la goethite (trait jaune-ocre). Ce test peut permettre également de différencier deux minéraux d’aspect proche (ex : la pyrite et l’or, la première, aussi appelée ‘or des fous’ a un trait brun-noir, tandis que l’or a un trait jaune doré).

De nombreux minéraux différents ont une trace de couleur blanche. Les minéraux les plus durs, comme le quartz, ne peuvent pas être testés (car leur dureté est supérieure à celle de la plaque de porcelaine, dont la dureté est d’environ 6,5).

Tableau 7: Couleur de la trace de quelques minéraux.

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4. La réaction à l'acide ou réaction d'effervescence ('acid reaction')

Pour faire ce test, on va verser un peu d’acide chlorhydrique (HCl dilué à 5% ou 10 %) sur une roche ou un minéral et surveiller la libération de bulles de dioxyde de carbone. Les bulles signalent la présence de minéraux carbonatés comme la calcite, l’aragonite ou la dolomite. La réaction qui a lieu, par exemple pour la calcite, est la suivante :

CaCO₃ + 2HCl -> CO₂ + H₂O + Ca²⁺ + 2Cl^2-

Une observation attentive est importante car certains minéraux carbonatés réagissent vigoureusement et d’autres réagissent à peine avec l’acide froid. Ces variations de la vigueur de l'effervescence résultent du type de minéraux carbonatés présents, de la quantité de carbonate présente, de la taille des particules et de la température de l'acide. Environ 80 minéraux carbonatés différents ont été identifiés, mais la plupart sont très rares.

Attention l’HCl réagit aussi sur les métaux (la réaction entraîne le dégagement d’un autre gaz, le dihydrogène).

Tableau 8: Réaction à l’acide de quelques minéraux carbonatés.

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5. Le clivage et la cassure ('cleavage and fracture')

Le clivage est défini comme la propriété du minéral de se casser selon des plans déterminés (= plans de faiblesse dans la structure cristalline du minéral) et la cassure (ou fracture) se définit comme la propriété du minéral de se casser, de se briser en donnant des surfaces irrégulières (ex : cassure conchoïdale pour le quartz).

En fonction de leur structure, les minéraux peuvent avoir aucune, une, ou plusieurs directions de plans de clivage :

• Pas de clivage : lorsqu'il se brise, le minéral ne présente que des surfaces irrégulières, quelconques. Les minéraux sans clivage sont rares. Ex : le quartz.
• Une direction de clivage dominante : Les cristaux se fragmentent en paillettes, en lamelles ou en feuillets parallèles à la base du cristal. Les limites dans les autres directions sont irrégulières. Ex : les phyllosilicates, et en particulier les micas.
• Deux directions de clivage dominantes : clivage prismatique. Les plans de clivage verticaux fendent les prismes d'origine dans leur longueur. On obtient des cristaux de forme très allongée, pouvant aller jusqu'à former des fibres. Ex : pyroxènes, amphiboles.
• Trois directions de clivage ou plus : clivage cubique, rhomboédrique, octaédrique, etc. Les cristaux sont de forme compacte, sans allongement marqué. Ex : la halite a un clivage cubique, parallèlement à ses faces cristallines.

La facilité de clivage est également variable selon les minéraux : on dit par exemple que le clivage est facile, difficile ou très difficile.

Enfin la qualité de clivage peut aussi être évaluée : on dit par exemple que le clivage est excellent (ex : gypse, muscovite, biotite), parfait (ex : calcite, galène, halite), bon (ex : feldspaths, pyroxènes), imparfait (ex : apatite, cassitérite) ou mauvais (ex : argiles).

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6. La solubilité et le goût ('solubility and taste')

Un petit nombre de minéraux sont solubles dans l’eau. La plupart du temps, la réaction de dissolution est lente (plusieurs heures) mais elle peut aussi avoir lieu immédiatement.

Les minéraux solubles ont souvent un goût caractéristique. Le goût peut parfois être facilement décrit (ex : goût salé pour la halite, amer pour la sylvite, piquant…) mais parfois il n’est pas possible de décrire facilement le goût ressenti (ex : un goût ‘métallique’ ou ‘terreux’).

Attention certains de ces minéraux sont toxiques (ex : chalcanthite) et donc avant de tester le goût d’un minéral (avec la langue !), il faut s’assurer que celui-ci n’est pas toxique.

Exemples de minéraux ayant un goût :

• Borax Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂O (alcalin doux)
• Chalcanthite CuSO_4.5 H₂O (métallique, légèrement toxique)
• Epsomite MgSO₄.7 H₂O (amer)
• Glaubérite Na₂Ca(SO₄)₂ (amer-salé)
• Halite NaCl (salé) - la halite c'est tout simplement le sel de cuisine
• Hanksite Na₂₂K(SO₄)₉(CO₃)₂Cl (salé)
• Mélantérite FeSO_4.7 H₂O (douce, astringente et métallique)
• Sylvite KCl (amer)
• Ulexite NaCa[B₅O₆(OH)₆].5 H₂O (alcalin)

Quelques références utiles :

• https://opengeology.org/Mineralogy/  (voir plus spécifiquement la page intitulée '3 Mineral Properties')
• https://www.mindat.org/
• https://geology.com/minerals/
• https://www.engineeringtoolbox.com/mineral-density-d_1555.html
• Pour voir des photos de minéraux : voir l'album photo sur les Roches et minéraux sur ce site ou voir mon site photo spécialisé

Pour aller sur ma chaîne Youtube :

Cliquez ICI, ou ICI pour voir des vidéos sur les tests d'identification des minéraux (ex: dureté, trace).

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