Métamorphoses minérales

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Métamorphoses . . . . . .

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minérales

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(Guebwiller)

Centre régional de culture scientifique, technique et industrielle - Mulhouse

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Métamorphoses Sommaire minérales

Le Musée Théodore Deck et des pays du Florival, 1, rue du 4 Février - 68500 Guebwiller / Tél. : 03 89 74 22 89 Situé en plein centre-ville, en face de l’église Notre-Dame, le musée de Guebwiller a été aménagé dans une ancienne demeure des chanoines de Murbach, acquise par la ville de Guebwiller en 1960. Il expose sur 5 niveaux des collections variées illustrant divers aspects de la richesse locale : archéologie, art médiéval, histoire du textile, géologie régionale et surtout une impressionnante collection de faïences de Théodore Deck. Le musée est ouvert tous les jours, sauf mardi, de 14h à 18h et samedi, dimanche et jours fériés de 10h à 12h et 14h à 18h.

Cet ouvrage ne concerne que les minéraux de géologie régionale exposés au sous-sol et les céramiques de Théodore Deck. Il cherche à montrer que tous ces matériaux, si différents a priori, ne sont que différents aspects d’une même famille minérale : les silicates.

Pour les groupes sur rendez-vous : tél. au 03 89 76 10 63 (Office du Tourisme)

I II

Des roches aux minéraux 1

Le cycle des roches de la croûte terrestre > P. 3

2

Les silicates > P. 4

Les cristaux 3

Conditions de cristallisation > P. 5

4

Les 7 réseaux cristallins > P. 9

5

Les cristaux du Musée > P. 11

6

Les couleurs des cristaux > P. 13

III

Des argiles aux céramiques 7

Les minéraux argileux > P. 15

8

Les argiles et l’eau > P. 16

9

Les argiles et le feu > P. 17

10 Les émaux > P. 19 11 Les émaux de Théodore Deck > P. 21

Photo du musée, vue du jardin. © Musée T. Deck

Cette publication est une édition de la Nef des sciences 40 rue Marc Seguin B.P. 2118 68060 Mulhouse Cedex téléphone : + 33 (0)3 89 32 76 33 - télécopie : + 33 (0)3 89 32 76 31 mél : nef-des-sciences@uha.fr - site : www.nef-des-sciences.uha.fr Directeur de la publication : Christine Welty. Conception et réalisation : Chantal Vis. Suivi de réalisation : Adrien Duda.

Conseillers scientifiques : Philippe Elsass (Directeur du Service Géologique Régional Alsace, BRGM – Alsace), Armelle Baldeyrou (PRAG, UDS – Strasbourg), Yvon le Douget (Institut Européen des Arts Céramiques - I.E.A.C.), Daniel de Montmollin (céramiste), Julien Schweizer (Conservateur du Musée Théodore Deck et des Pays du Florival de Guebwiller), Thiébaut Dietrisch, Directeur de l’Institut Européen des Arts Céramiques (I.E.A.C). Remerciements : Pierre Hauwelle (céramiste), Fanny Rossin (Directrice du Service de la Culture et de la Communication – Ville de Guebwiller), Julien Schweizer (Conservateur du Musée Théodore Deck et des Pays du Florival). Graphisme & illustrations : •••Trygone productions / www.trygone-productions.fr Crédits photographiques : Institut Européen des Arts Céramiques (I.E.A.C), Musée Théodore Deck et des Pays du Florival, Hubert Vis, Julien Schweizer. Impression : imprimerie Manupa, Mulhouse. n°ISBN : 2-909495-19-1 - Ne peut être vendu. Dépôt légal : 2e trimestre 2009. Tous droits de reproduction réservés sans l’autorisation de l’éditeur.

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I DES ROCHES

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AUX MINÉRAUX

Le cycle des roches de la croûte terrestre Dans les chaînes de montagne exposées aux intempéries, les roches et particulièrement le granite sont détruits par les agents de l’érosion (eau, gel…). Le granite est une roche cristallisée en profondeur, formée de minéraux de quartz, feldspaths et micas. La solidité du granite n’est qu’une perception humaine. En surface, le granite se désagrège, ses constituants se séparent et forment une arène granitique. Les micas et les feldspaths sont transformés en minéraux argileux, les grains de quartz, très peu altérables, deviennent du sable. Tous ces éléments sont transportés par l’eau, usés et continuent leur transformation : les grains de sable s’arrondissent et se déposent au gré des courants. Les argiles sédimentent lorsque

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le courant diminue et deviennent une roche argileuse, bientôt recouverte par d’autres sédiments. Ces roches sont soumises à la tectonique des plaques et peuvent être entraînées en profondeur où elles se transforment en roches métamorphiques. Elles peuvent être soumises à des conditions de pression et température (vers 20km de profondeur, avec une température d’environ 700°C) qui provoquent leur fusion en liquide magmatique. Ce magma en refroidissant lentement donne naissance à un granite dit d’anatexie. Quelques millions d’années plus tard, soumis aux mouvements tectoniques de la croûte terrestre qui créent les chaînes de montagne, les minéraux du granite ramenés à la surface se transformeront en minéraux argileux qui pourront à nouveau participer à un autre cycle et redonner un magma granitique… Les mêmes atomes participent ainsi à des minéraux sans cesse remaniés, tout ceci bien sûr à l’échelle des temps géologiques dont l’unité est le million d’années.

Oxygène Silicium Tétraèdre (SiO4)4-

Les silicates Structure du quartz.

Les argiles, les feldspaths, les micas et le quartz contiennent tous des atomes de silicium liés à des atomes d’oxygène arrangés en tétraèdres de (SiO4)4-. Chaque atome de silicium est au centre du tétraèdre dont chacun des 4 sommets est occupé par un atome d’oxygène. Les minéraux constitués de ces tétraèdres de silice forment la famille des silicates. L’agencement de ces tétraèdres diffère d’un minéral à l’autre :

Lexique Roche et minéraux : Matériau constitutif de l’écorce terrestre, une roche est formée d’un assemblage de minéraux. Un minéral est une espèce chimique naturelle qui se présente le plus souvent sous forme de solide cristallin. Les minéraux les plus nombreux et les plus abondants sont les silicates.

Illustrations : Thierry Badet.

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C Le quartz (SiO2) est formé uniquement de tétraèdres SiO4 qui mettent en commun leurs oxygènes et s’enroulent en hélices compactes hexagonales (Quartz ß) ou légèrement distordues (Quartz ∂). C Les feldspaths sont aussi des silicates dont la charpente est tridimensionnelle, les tectosilicates, un peu comme le quartz mais dans un tétraèdre sur quatre, un atome d’aluminium prend la place du silicium. Ce changement de Si4+ par Al3+ est neutralisé par la fixation d’un cation (K+, Na+ ou Ca2+) dans la structure (exemple du feldspath orthose : K [Si3AlO8]). C Les micas et les argiles sont des phyllosilicates dont les chaînes de tétraèdres sont associées en réseaux plans formant des feuillets. La structure des argiles est détaillée en page 14.

Tétraèdre SiO4

O situé au premier plan O situé en arrière-plan Si

Schéma du cycle des roches.

Micas et argiles, structure d’un feuillet.

3 4

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II leS cristAUX

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3

[

Exemple du granite

Le granite, une roche magmatique Un cristal est un état ordonné de la matière dans lequel les atomes sont disposés selon un arrangement régulier et symétrique formant un volume élémentaire (la maille cristalline) répété à l’infini. Cette répétition constitue le réseau cristallin. On peut le comparer au motif élémentaire d’un papier peint qui est répété tout le long du papier, en deux dimensions, tandis que la maille d’un cristal l’est en trois dimensions. La maille cristalline a la forme d’un prisme régulier, droit ou quelconque, dans lequel les atomes occupent des positions bien définies. L’état cristallin est la forme stable des minéraux solides. Papier peint et son motif. ESSEF Décors, la cuisine de Zofia, (Zofia Rostad)

3

Les conditions de cristallisation

Les cristaux se forment soit par solidification lente d’un liquide magmatique, soit par réarrangement d’atomes en phase solide lors du métamorphisme, soit par précipitation à partir des éléments contenus dans un fluide hydrothermal ou en solution aqueuse saturée.

Lors du cycle des roches, nous avons vu que le granite s’est solidifié lentement en profondeur à partir d’un magma liquide. Les roches granitiques sont très riches en silice (73%). Elles sont très répandues dans la croûte terrestre car leur composition est proche d’un eutectique de fusion (les roches de cette composition sont les premières à fondre lorsque la température s’élève). Le granite est une roche claire, formée de minéraux engrenés les uns dans les autres : on parle de structure grenue. Les minéQuartz Feldspath raux essentiels du granite sont le quartz, les feldspaths (feldspaths potassiques tels que l’orthose et feldspaths alcalins de la famille des plagioclases) et les micas (biotite et muscovite). Lors du refroidissement, les minéraux ne cristallisent pas tous en même temps : les micas en Mica premier puis les feldspaths peuvent se développer à peu près avec leur forme cristalline, leur croissance étant limitée par celle des minéraux voisins. Le quartz cristallise en dernier et occupe tous les vides, il a donc rarement sa forme géométrique propre. La taille des cristaux ainsi formés dépend de la vitesse du refroidissement : s’il est rapide, les cristaux ne seront pas visibles et on obtiendra une rhyolite avec une phase vitreuse et quelques gros cristaux ( phénocristaux ) ; s’il est lent, la roche sera

grenue et les minéraux auront une taille de l’ordre du centimètre. Dans certains cas, en fin de cristallisation du magma, des vapeurs enrichies en métaux et éléments rares conduisent à la formation de minéraux géants. Ce sont des pegmatites dans lesquelles certains feldspaths peuvent dépasser le mètre. Elles contiennent souvent des minéraux particuliers très recherchés comme les topazes, tourmalines et béryls. Si les atomes n’ont pas le temps de s’organiser ou n’en ont pas la possibilité car une trop grande viscosité entrave leur déplacement, le liquide va se figer et se solidifier en verre (obsidienne).

1

Roche métamorphique

PRESSION

Magma RÉ-ARRANGEMENT CRISTALLIN SOLIDIFICATION LENTE

PRÉCIPITATION ÉVAPORATION-PRÉCIPITATION

Cristal

Solution saline

1) Obsidienne. © Hubert Vis.

Roche métamorphique

2

2) Bloc de granite. © Musée Théodore Deck.

5 6

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3

Conditions exceptionnelles de formation des beaux cristaux

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3

Le gypse (CaSO4, 2H2O), le sel gemme (halite, NaCl) et la potasse (sylvine ou sylvite, KCl) précipitent et cristallisent à partir de solutions salines sursaturées, dans des lagunes fermées dont l’eau s’évapore intensément sous l’effet du soleil, en climat chaud. Ces conditions étaient réunies dans le fossé rhénan en subsidence (enfoncement régulier) pendant l’Oligocène et ont permis le dépôt de plus de 1000 m d’épaisseur de roches salines, essentiellement du sel. Par deux fois, il y a environ 32 millions d’années, des conditions extrêmes de concentration des saumures du Bassin Potassique au nord de Mulhouse ont permis la formation de sylvinite (alternance de KCl et NaCl) sur une épaisseur de quelques mètres. Ce gisement de potasse a été exploité en Alsace pendant tout le XXe siècle.

Les beaux cristaux qui ont pu croître en conservant leur forme géométrique naturelle, n’ont pu le faire que dans des conditions très particulières, souvent par précipitation de solutions saturées en sels minéraux transportées dans des fluides hydrothermaux et circulant dans des failles ou fissures naturelles. Ces précipitations forment des filons solides plus ou moins spectaculaires. Certains filons sont entièrement remplis de cristaux enchevêtrés. Les éléments chimiques de ces solutions dépendent de la nature des roches dans lesquelles elles circulent. Dans le granite, ces fluides sont très riches en silice c’est pourquoi les principaux cristaux des filons sont formés de quartz sous toutes ses formes. Cette circulation permet aussi le transport, l’accumulation et la précipitation d’éléments chimiques rares, normalement présents en très faible quantité dans les roches. Ainsi cristallisent les oxydes métalliques, les sulfures, les fluorures à l’origine des gisements miniers exploités.

1

2

1) Sel halite. © Hubert Vis.

2) Morceau de potasse. © Hubert Vis.

2

3) Grenats. © Musée Théodore Deck.

3

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. . . . . . . . . Les . . .minéraux . . . . . . métamorphiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemple . . . . .: Les . . grenats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les roches sont soumises à des contraintes variables au cours de leur histoire tectonique : elles peuvent être entraînées en profondeur (subduction, collision). A partir d’un certain seuil de pression et de température, certaines associations minérales deviennent instables et réagissent entre elles en donnant naissance à de nouveaux minéraux. Tout ceci se passe en phase solide et de nouveaux assemblages de silicates se développent. C’est ainsi que le grenat prend naissance vers 50 km de profondeur et 600°C, aux dépens d’autres minéraux (feldspath et amphiboles), eux-mêmes stables à des températures et pressions plus faibles. La présence de grenat dans une roche est donc un indicateur de fortes températures et pressions.

1

Les plus beaux cristaux se développent lentement dans des cavités creuses et possèdent une extrémité libre géométrique. Si la cavité a une forme plus ou moins rectiligne, les cristaux vont se développer à partir des parois en couche allongée, leur forme géométrique s’exprimant dans la partie creuse centrale. On parle d’une druse. Si la cavité a une forme arrondie, on parle de géode. Dans ce cas, les cristaux tapissent la paroi interne et dirigent leur extrémité libre vers le centre de la géode. Dans certains cas exceptionnels, les cristaux se développent librement dans la cavité et possèdent leur forme propre aux deux extrémités, ce sont des cristaux bi-terminés très recherchés par les collectionneurs. La plupart des cristaux présentés dans le musée proviennent de filons hydrothermaux.

4

1) Géode calcite. © Musée Théodore Deck.

2) Morceau de Filon poli, quartz. © Musée Théodore Deck.

3) Quartz bi-terminé. © Musée Théodore Deck.

3

4) Druse. © Musée Théodore Deck.

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II

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Tableau illustré des 7 systèmes cristallins Schémas et caractéristiques des 7 réseaux fondamentaux

[

Les sept systèmes cristallins

Chimie et géométrie Les atomes d’un cristal sont arrangés de manière régulière selon une disposition fondamentale, la maille cristalline élémentaire, dont la répétition dans l’espace dessine le réseau cristallin. Lorsqu’un cristal peut se développer sans entrave, il prend naturellement la forme d’un polyèdre limité par des faces planes. La croissance d’un cristal se fait par accrétion (augmentation de volume grâce à un apport externe), en suivant la maille élémentaire du cristal à partir d’un germe de croissance (soit une impureté soit un minuscule cristal de la même espèce). Cette croissance obéit à des lois physiques précises : L oi de constance des angles : un monocristal en croissance formera toujours un polyèdre dont les faces sont parallèles 2 à 2 avec celles du cristal originel. L oi de stratification multiple : un cristal est constitué par la juxtaposition de parallélépipèdes élémentaires tous identiques et caractéristiques de l’espèce. L oi de Curie : Un corps tend à prendre la forme qui présente une énergie superficielle minimum compatible avec les forces d’orientation. C’est-à-dire la surface minimale compatible avec les liaisons chimiques. La maille cristalline dépend donc de la disposition des atomes, de leurs tailles respectives et des liaisons entre ceux-ci. Les conditions dans lesquelles se forment les cristaux peuvent aussi influencer la forme de la maille cristalline donc le réseau géométrique obtenu (par exemple, les différentes variétés de quartz haute et basse température ne cristallisent pas de la même façon).

c

1

Le système cubique :

a=b=c : les trois axes sont de même longueur = = =90°, les trois angles sont égaux et droits.

Les 7 systèmes cristallins Dans la nature, seuls 7 volumes formés de polyèdres réguliers peuvent remplir l’espace sans laisser de vide. Ce sont les 7 systèmes cristallins :

90°

b 90°

c

2

Le système quadratique :

a=b≠c : deux axes sont de même longueur = = =90°, les trois angles sont égaux et droits.

3

Le système orthorhombique

b 90°

c

90°

a

a≠b≠c : les trois axes sont de longueur inégale = = =90°, les trois angles sont égaux et droits.

Le système orthorhombique (prisme droit à base rectangle).

90°

a

L e système cubique (prisme régulier dont toutes les faces sont des carrés). Le système quadratique (prisme droit à base carrée).

90°

a

b

90°

Le système hexagonal (prisme droit à base hexagonale). L e système rhomboédrique (parallélépipède avec 6 faces losanges identiques). L e système monoclinique (prisme oblique à base rectangulaire).

c 90°

4

a=b≠c : deux axes sont de même longueur = =90° et =120°, deux angles sont égaux et droits, le troisième vaut 120°.

L e système triclinique (prisme oblique à base parallélogramme quelconque). Chacun de ces systèmes est défini par des éléments de symétrie caractéristiques. On les définit selon 3 axes : 3 paramètres de dimension des axes (a, b, c) et les 3 paramètres d’angles formés par ces axes( , , ). (Voir schéma)

Le système hexagonal :

90°

b

a 120°

c

90°

5

90°

b

a

Le système rhomboédrique :

90°

a=b=c : les trois axes sont de même longueur = = ≠90°, les trois angles sont égaux et non droits. c

6

Le système monoclinique :

90°

a≠b≠c : les trois axes sont de longueur inégale = =90°≠ , deux angles sont égaux et droits.

90°

a

b

90°

c

7

Le système triclinique :

a≠b≠c : les trois axes sont de longueur inégale ≠ ≠ ≠90°, les trois angles sont différents et non droits.

90°

b

a 90°

9 10

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II

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5

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Les plus beaux cristaux du Musée 1

Cristaux cubiques Fluorine (CaF2) [a] Galène (PbS) [b] Halite (NaCl)

2

Cristaux quadratiques : Chalcopyrite (CuFeS2) [c] Autunite Ca [(UO2)PO4]2, 8-12H2O

3

Cristaux orthorhombiques

Hématite [h] Hématite

[a] Fluorine

Barytine (BaSO4) [d] Aragonite (CaCO3) [e] 4

Cristaux hexagonaux : Béryl (Be3Al2[Si6O18] Pyromorphite (Pb5[Cl(PO4)3] [f ] Quartz (pseudo-hexagonal) (SiO2) [g]

5

Cristaux rhomboédriques Hématite (Fe2O3) [h] Calcite (CaCO3) [i]

6

[j] Gypse

[b] Galène

Cristaux monocliniques Gypse (CaSO4, 2H2O) [j] Azurite (Cu3[OH CO3]2

7

Cristaux tricliniques

[g] Quartz

Disthène (Al2OSiO4)

[c] Chalcopyrite

Crédits photographiques : © Musée Théodore Deck.

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[i] Calcite

[f ] Pyromorphite

[d] Barytine

[e] Aragonite

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II

. . . . . . . 6

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Les couleurs des cristaux

Les cristaux nous fascinent par la pureté géométrique de leur forme mais aussi par la splendeur de leurs couleurs. La couleur n’est que la sensation d’une interaction entre une source de lumière et un matériau. Les causes de coloration des cristaux sont multiples. Dans la plupart des cas, la couleur provient de l’absorption sélective de certaines longueurs d’onde de la lumière blanche (couleur soustractive), plus rarement, d’effets d’optique qui créent la couleur. Nous ne traiterons que quelques exemples de minéraux observables dans le musée.

La coloration idiochromatique, produite par des ions métalliques présents en grande quantité, donc présents dans la formule chimique du minéral, donne une seule couleur caractéristique du minéral. Ces ions ont leur sous-couche électronique « d » incomplète. La lumière visible interagit avec ces électrons : en provoquant un changement d’orbitale des électrons, certaines longueurs d’onde de la lumière incidente vont être absorbées. Soustraites de la lumière blanche, il en résultera une lumière colorée de longueur d’onde complémentaire. Quelques exemples (photos du musée) Azurite (carbonate de cuivre hydraté) Cu(OH)2,2CuCO3, possède une éclatante couleur bleu intense due aux ions Cu2+. Malachite (autre carbonate de cuivre hydraté), Cu(OH)2, CuCO3, possède une très belle couleur verte due aux mêmes ions Cu2+. La couleur est différente car l’absence d’un

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La coloration allochromatique est due à la présence de centres colorés dans le cristal. Ce sont des défauts dans la structure du cristal qui provoquent des lacunes cristallines (ions manquants) ou des ions additionnels, souvent dus à une irradiation (radioactivité naturelle). La couleur est variable et dépend des impuretés. On reconnaît la présence d’un centre coloré à sa fragilité : la couleur disparaît si le cristal est exposé à la lumière ou à la chaleur. On peut la rétablir par irradiation. méthyste (variété de quartz, SiO2), sa couleur violette A est due à un centre coloré : certains ions Si4+ sont remplacés par des ions Fe3+. Si on chauffe l’améthyste à 250°C, elle se décolore et en refroidissant peut devenir jaune ou verte selon l’état des impuretés de fer : Fe2+ jaune ou Fe3+ vert.

Améthyste

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Quartz fumé (variété noire de quartz), sa couleur noire est due au remplacement d’ions Si4+ par des ions Al3+ dans une zone irradiée. Fluorine (fluorure de calcium) CaF2, souvent violette. On explique cette couleur par un centre coloré dû au remplacement dans la maille du cristal, d’un ion F-_ par un électron.

carbonate dans la molécule modifie l’absorption vers des longueurs d’onde plus longues. Ceci expliquerait le passage du bleu au vert.

Opale

La coloration métallique. Dans ce cas, c’est la structure électronique du cristal tout entier qui est responsable de la couleur : les électrons de certains minéraux sont délocalisés à l’intérieur du cristal tout entier et produisent de la couleur par une interaction avec la lumière visible. La couleur jaune de l’or pur La couleur jaune de la pyrite (l’or des fous !) La couleur argentée de l’hématite

Crédits photographiques : © Musée Théodore Deck.

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Le sel bleu (NaCl) résulte d’une perte d’électrons dans son réseau, lorsqu’il a cristallisé dans des fissures soumises à de fortes pressions. Il perd peu à peu de sa couleur, lorsque les conditions changent et redevient transparent.

Pépites d’or (Lauch)

La coloration due à des phénomènes optiques (diffraction ou interférence de la lumière).

L’opale (silice hydratée) SiO2, nH2O est remarquable par ses irisations qui peuvent présenter toutes les couleurs du spectre visible. La structure de l’opale est formée de couches parallèles de petites billes de silice rangées de manière plus ou moins compacte. La couleur observée résulte de la diffraction de la lumière sur ces empilements et varie selon l’orientation de la source de lumière incidente.

Azurite

Pyrite

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III DES argileS 7

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AUX céramiques

Les minéraux argileux

Chimie et structure Les minéraux argileux se forment à partir d’une réorganisation en feuillets, des tétraèdres SiO4 des feldspaths : ce sont des phyllosilicates, très petits cristaux en plaquettes souvent hexagonales. Il existe une grande variété de minéraux argileux. Le plus simple est la kaolinite (constituant essentiel du kaolin), c’est un aluminosilicate hydraté (2SiO2, Al2O3, 2H2O). Sa structure identifiable par rayons X, est caractérisée par la superposition de feuillets constitués d’une couche de tétraèdres de SiO4 et d’une couche d’octaèdres d’Al(OH)6. Les deux couches sont reliées par les atomes O et OH mis en commun. La distance inter°. réticulaire est de 7 A

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(la couche octaédrique encadrée par deux couches tétraédriques) et l’aluminium peut se substituer au silicium dans les tétraèdres et le magnésium ou le fer remplacent l’aluminium dans les octaèdres, ce qui provoque un déséquilibre de charges électriques compensé par la présence de cations entre deux feuillets. Il est particulièrement fascinant de constater qu’à partir de peu d’éléments chimiques et de deux éléments structuraux, on puisse obtenir par le jeu des permutations une telle diversité de composés. Les marnes ou terres glaises sont des roches riches en argiles qui contiennent également une fraction calcaire. On les utilise pour faire des poteries de basse température (cuisson entre 800° et 950°) car la présence de calcium abaisse le point de fusion du mélange.

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Les argiles et l’eau

Propriétés plastiques Les argiles fixent l’eau par adsorption à la surface des feuillets et augmentent de volume par gonflement. L’argile sèche développe une tension de succion importante pour l’eau. Plus la quantité d’eau est importante, plus la tension de succion diminue, l’ensemble eau-argile devient plastique puis visqueux et finalement les particules d’argile se dispersent dans l’eau en formant une solution colloïdale. Lorsque l’argile est humide les molécules d’eau se fixent entre les feuillets et favorisent leur glissement : l’argile devient plastique et peut se modeler : elle peut se déformer et garder la forme qu’on lui impose sous l’effet d’une contrainte physique (pression).

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Les autres minéraux argileux comme les illites, les smectites ou la chlorite ont une structure un peu plus complexe en 3 couches

Octaèdre AluminiumOxygène Hydroxyle

Tétraèdre Silicium-Oxygène

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COUCHE TÉTRAÉDRIQUE

COUCHE OCTAÉDRIQUE 3

1) Barbotine © I.E.A.C.

Couche octaédrique KAOLINITE Al2O3, 2SiO2, 2H2O

Couche tétraédrique

Distance inter-réticulaire 7

Cette propriété essentielle a permis la fabrication des poteries et autres céramiques. Une argile saturée en eau est imperméable car les feuillets s’écartent jusqu’à disparition complète des espaces libres entre les cristaux. La barbotine est une argile très diluée qui coule comme du lait. Elle sert de base à l’émaillage. On peut la poser en couche fine avec un pinceau sur la poterie que l’on souhaite vernir.

2) Empreintes sur argile © Hubert Vis.

3) Tournage d’une poterie © I.E.A.C.

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III

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Les argiles et le feu

Rôle de la cuisson Le séchage d’une pièce de céramique est la première étape indispensable avant toute cuisson sinon la pièce risque d’exploser par départ brutal de son eau. La formation de vapeur d’eau augmente le volume dans des proportions considérables. Au

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départ, ce séchage doit être lent car il s’accompagne d’un retrait qui pourrait déformer la pièce. Il faut obtenir le départ de toute l’eau libre installée entre les feuillets (eau de plasticité). L’eau de constitution, chimiquement liée aux minéraux argileux commence à être chassée à partir d’une température de 350°C. Il faut atteindre 500°C pour obtenir la déshydratation qui provoque un départ irréversible de toute l’eau et une perte de la plasticité. Cette première cuisson est conduite jusqu’à 950°C. La poterie devient un biscuit ou tesson, elle est rigide et poreuse.

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Les différentes sortes de céramiques Elles se distinguent par leurs proportions de minéraux argileux, siliceux et feldspathiques qui conditionnent leurs propriétés de plasticité et leur température de fusion.

La fusion

L a faïence est formée à partir d’argile colorée (la terre à feu) ou blanche (la faïence fine). Elle est poreuse après la première cuisson(le tesson ou biscuit) et doit être émaillée. 1

1

La fusion

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Nous avons vu que l’argile soumis à de fortes pressions et températures peut fondre et se transformer en magma granitique. Le four du potier ne permet pas de reconstituer les pressions qui s’exercent en profondeur mais il peut atteindre des températures aussi élevées. Ces températures élevées (de 1000°C à 1400°C) provoquent selon les mélanges argileux des fusions partielles ou totales. Les parties fondues forment des petites gouttes liquides qui s’infiltrent dans leur voisinage et lient les particules solides à la manière d’une colle. Si la fusion est poursuivie jusqu’à un degré suffisant de chaleur, l’argile fond complètement et on obtient un magma vitreux. Il ne faut, bien sûr, pas atteindre ce stade mais dans la fabrication de la porcelaine, on approche de la fusion complète. C’est pourquoi la porcelaine ressemble à du verre.

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n grès est un tesson cuit entre 1150° et 1300° qui est U constitué de grains de silice non vitrifiés enrobés dans une masse fondue de silicates. Il n’est donc pas poreux.

L a porcelaine est cuite entre 1300° et 1450°. C’est un tesson blanc translucide obtenu à partir d’un mélange de kaolin, de silice et de feldspath sans trace d’oxyde de fer

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Début de fusion

Fusion totale

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III

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Les émaux

L’émail est le revêtement vitrifié du tesson (poterie cuite), s’il est transparent, on parle de vernis ou de glaçure, s’il est opaque, c’est un émail. On l’obtient par fusion d’un mélange appliqué sur le tesson. L’émail doit fondre à une température inférieure à celle de la poterie qu’il doit recouvrir. Il faut donc jouer sur les différentes températures de fusion.

Notion de mélange eutectique : Un mélange de minéraux est toujours plus fusible que ses constituants pris séparément. Par exemple, un mélange eutectique d’émail (mélange de silice, de craie et de kaolin) fond à 1165° alors que chaque constituant fond à des températures plus élevées, 1707°, 2570° et 1545°. Cette notion a été découverte par hasard par des potiers chinois qui avaient observé que les cendres entraînées dans le four pendant la cuisson et déposées sur les poteries, les avaient émaillées en les recouvrant d’une pellicule d’émail vert céladon. En fait, les cendres contenaient des sels minéraux qui avaient provoqué la fusion de la couche superficielle de l’argile et sa vitrification en émail.

Structure vitreuse de l’émail Un émail est une transformation chimique d’un mélange de minéraux en silicates fondus puis figés : un réseau de tétraèdres de silice (SiO4) enferme des cations (ions métalliques chargés positivement) dans ses mailles. Les tétraèdres SiO4 ont tendance à s’organiser en anneaux pentagonaux, les vitrons, observables au microscope électronique. Cette structure assure la rigidité du squelette verrier de l’émail. Les cations (Ca2+, Na+…) coupent les liaisons chimiques de la silice et jouent le rôle de “fondant” en affaiblissant la structure et abaissant considérablement la température de fusion de l’émail. En refroidissant, la cristallisation est inhibée car la viscosité du mélange ne permet pas aux molécules de former un réseau cristallin ordonné. La composition chimique du mélange silicaté contrôle sa viscosité et sa structure. La balance entre la quantité de silice “formatrice de réseau” et la quantité de cations “modificateurs de réseau” détermine la viscosité du mélange. L’émail garde une structure figée qui peut être assimilée à celle des molécules d’un liquide immobilisées pendant le refroidissement tout en conservant la disposition chaotique qu’elles avaient à l’état liquide. On peut expliquer de la même façon, la formation des obsidiennes à partir d’un magma très riche en silice.

Schémas de la structure d’un verre comparée à celle d’un cristal, seule la base des tétraèdres a été représentée.

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Vernis traditionnel des potiers : mélange de galène (Pb) broyée et d’argile siliceuse qui formera à la cuisson un silicate alumineux de plomb qui en fondant, recouvre la poterie d’un vernis. Pour obtenir des couleurs, il faut auparavant engober la poterie en la trempant dans un engobe (barbotine d’argile blanche enrichie d’ions colorants, cuivre pour les verts, manganèse pour les violets, cobalt pour les bleus). C’est la technique utilisée pour les faïences de Soufflenheim. La technique du grès salé permet d’obtenir une couche de verre en introduisant du sel (chlorure de sodium) dans le four : une réaction de surface avec l’argile provoque la fusion du mélange sodium, silice et alumine à 1150°. La couleur finale par ce procédé est le plus souvent le gris. Les potiers de Betschdorf créent leur décor en associant ce gris avec de la gravure et de la peinture bleue au cobalt qui résiste bien aux températures élevées de cuisson (1300°C).

La couleur des émaux est ainsi donnée par les ions métalliques. De plus, on obtient toute une gamme de variations selon les conditions oxydantes ou réduites : en conditions oxydantes (flamme bien oxygénée), le fer sera ferrique (Fe3+) et donnera une couleur jaune, ocre ou rouge ; le cuivre cuivrique (Cu2+) des verts ou bleu turquoise. En conditions réductrices (peu d’apport d’oxygène, le four fume), le fer ferreux (Fe2+) donnera le vert céladon ou même un noir et le cuivre cuivreux (Cu+) du rouge « sang de bœuf ». Certains potiers utilisent les cendres de différents végétaux, riches en sels minéraux, pour créer leurs émaux. La couleur finale dépend de la nature des végétaux, du sol sur lequel ils auront été cultivés, des conditions de cuisson…La diversité des coloris obtenus ainsi est remarquable

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Ainsi le potier en maîtrisant l’eau et le feu, a su jouer avec les multiples combinaisons des minéraux silicatés et reconstituer à sa façon un cycle artificiel des silicates. 4 3) Cuivre oxydé et réduit © I.E.A.C.

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III

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Bibliographie

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Revue de la céramique et du verre n°39, mars/avril 1988. Daniel de Montmollin. Archives d’un atelier ; IEAC et musée du Florival, 2005. Daniel de Montmollin et Pierre-Yves Videlier. Le chapeau du diable, rudiments de poterie vernissé ; centre Jurassien du patrimoine. Daniel de Montmollin. Le poème céramique, introduction à la poterie ; éditions de la revue de la céramique et du verre. Daniel de Montmollin. Pratique des émaux 1300°, minéraux, roches et cendres ; éditions de la revue de la céramique et 2

du verre.

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1

Alain Foucault et Jean-François Raoult. Dictionnaire de géologie ; Dunod. 11

Les émaux de Théodore Deck

Théodore Deck est un des plus célèbres faïenciers du XIXe siècle. Très influencé par les faïences persanes aux couleurs flamboyantes et aux bleus intenses, il a mis au point, après de nombreuses recherches, sa propre technique de décors peints sous une glaçure transparente qui permet aux couleurs d’éclater. Il est particulièrement connu pour son “bleu Deck” dont vous pourrez admirer quelques réalisations dans le musée. Il recouvre son biscuit (faïence siliceuse) par un engobe très blanc qu’il nomme engobe persan ou engobe alcalin blanc (enrichi en émail stannifère et en silice). La vitrification de l’engobe a lieu lors d’un deuxième feu. Cette sous-couche blanche et non poreuse est le support des décors colorés, eux-mêmes révélés par une glaçure alcalino-plombeuse transparente. Toute une partie du musée de Guebwiller est consacrée à cet enfant du pays et permet d’admirer la maîtrise de son art.

Martial Boutantin. Pierres de lumière, Travailler en s’amusant ou la minéralogie des Vosges et de l’Alsace ; publication du Muséum d’Histoire Naturelle de Colmar. Carron, Gauthier, Schaaf, Ulysse et Wozniak. Comprendre et enseigner la planète Terre ; éditions Ophrys. Jean Dercourt et Jacques Paquet. Géologie, objets et méthodes ; Dunod.

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Métamorphoses . . . . . .

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minérales

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(Guebwiller)

Centre régional de culture scientifique, technique et industrielle - Mulhouse

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