Cristallographie : chimie de la calcite - 12/05/2007

La calcite est un des minéraux les plus connus, et les plus largement distribué à la surface de la Terre. Elle est le constituant principal des roches carbonatées. Elle est aussi, historiquement et pendant longtemps, le minéral le plus étudié, particulièrement par Haüy à qui nous devons la notion de maille élémentaire - « les parties insécables » - établie sur la calcite précisément parce qu'elle se clive facilement.

Cristal calcite

"Jamais Science n'a été autant l'oeuvre d'un seul homme", a dit A. Lacroix à propos de R. J. Haüy, unanimement considéré comme le père de la minéralogie et de la cristallographie modernes. Fils d'un modeste tisserand, prêtre toujours fidèle à sa foi catholique, il a traversé sans trop d'encombres les sombres périodes révolutionnaires, pour finir sa vie, chargé d'honneurs pendant l'Empire et estimé de tous ses collègues pendant la Restauration. Il établit les lois fondamentales de la cristallographie et jette les bases d'une classification moderne des cristaux. R. J. Haüy est directement à l'origine de la science des cristaux et, entré au Corps des Mines, il fut le premier conservateur des collections de l'Ecole des Mines…

Baie d'Halong - Vietnam

La calcite, l'un des minéraux les plus communs avec la dolomite représente 22% des roches sédimentaires c'est-à-dire 237 millions de kilomètres cubes…de roches carbonatées ! Pendant très longtemps la calcite n'était connue que sous son nom de spath calcaire ou de chaux carbonatée. Peut-être est-ce Haidinger qui lui a donné le nom de calcite sous lequel elle est maintenant universellement connue, ce n'est pas tout à fait sûr.

Voici quelques unes de ses propriétés physico-chimiques :

• Dureté: 3
• Trace: blanche
• Couleur: incolore, blanche, jaune, brune, rouge, noire
• Transparence: transparente, translucide
• Eclat: vitreux, nacré

• Densité: 2,6 à 2,8

• Indice de réfraction : de 1,48 à 1,65
• Luminescence: blanche, jaunâtre, bleuâtre, rougeâtre, orange, verdâtre

• Autres propriétés optiques : biréfringence (voir ci-dessous), fluorescence, phosphorescence, thermoluminescence
• Composition chimique: 100% CaCO₃
• Propriétés chimiques:

éclate dans la flamme et libère CO₂, le CaO naissant colore la flamme en orange, bouillonne dans HCl…

• Nettoyage: à l'eau

Solubilité de la calcite dans l'eau douce à 20°C : 40 à 85 ppm et dans l'eau de mer à pH 8,2 : 66 ppm.
Pour la dolomie les valeurs sont respectivement 21 et 50 ppm

Structure de la calcite

Formes cristallines

Les couches de calcium alternent avec les groupes carbonates selon l'axe c. Si les groupes carbonates présentent la même orientation dans chaque couche ils sont opposés dans deux couches successives. Le groupe carbonate constitue la brique élémentaire de construction de la calcite, il peut être considéré comme un triangle équilatéral dont le centre est occupé par le carbone et les sommets par les oxygènes. Les atomes d'oxygène sont distants les uns des autres de 0,23 nm et de 0,124 nm de l'atome de carbone. Les liaisons CO sont à considérer comme covalentes donc très rigides (4 fois plus fortes que la liaison O-Ca). De cette différence résulte l'excellent clivage de la calcite qui rompt le minimum de liaisons Ca-O et aucune liaison C-O.

La différence principale avec l'aragonite réside dans le fait que dans la calcite chaque atome d'oxygène est lié à 2 Ca alors que dans l'aragonite un arrangement différent lie un oxygène à 3 calcium.

L'habitus (la forme normale) du cristal de calcite varie avec la température. Ceci vient du fait qu'il y a plusieurs phases dans le système CaCO₃ dans un graphique P,T voir ci dessous :

Graphique P,T de la calcite

De même si on remplace le calcium par du magnésium, dans la calcite magnésienne (où il y a moins de Mg que dans la dolomite) la dimension de la maille élémentaire diminue régulièrement en fonction de la quantité de Mg et ce, de manière pratiquement linéaire. Les longueurs de liaison ne sont pas tout à fait les mêmes.

Il existe encore une autre forme de calcite métastable : la vatérite dans laquelle la coordination du calcium peut être admise comme étant d'ordre 8. C'est une forme hexagonale, très rare à l'état naturel.

Le calcium peut aussi être remplacé, dans la maille élémentaire, par de petites concentrations de MgO de 0,22 à 0,49% ou de MnO de 0,04 à 4,57% ou encore de FeO de 0,12 à 5,21 %. Très rares sont les cas dans lesquels le pourcentage est plus important.

Voici la composition de quelques calcites caractéristiques

Calcite de…	CaO	MgO	FeO	MnO	SrO	BaO	PbO	CO2	Σ
Monterey, Californie	53,60	1,74	0,43	----	----	----	----	44,22	99,99
Carbonatite de Gatineau,Québec	55,30	0,07	0,13	0,57	0,32	0,03	----	44,07	100,49
Minerai Mn, de Langan, Suède	51,42	0,09	----	2,59	----	----	2,49	42,47	99,45
Golden Mile, Australie	53,02	0,48	2,21	0,49	----	1,18	----	43,78	99,98
Minerai Mn, Groupe Sausar, Inde	43,88	0,41	----	10,21	3,56	----	----	43,88	101,53

1 - Pseudomorphoses de la calcite :

La calcite, en raison de sa grande réactivité chimique et de sa solubilité assez forte dans les eaux carbonatées, est fréquemment altérée et/ou remplacée par d'autres espèces minérales. Ce sont des minéraux pseudomorphes de la calcite avec par exemple : l'aragonite, la barytine, la limonite, l'hématite, la pyrolusite, le talc, la silice, etc. il y en a une trentaine ! D'un autre côté la calcite peut, elle, remplacer certains minéraux et ce sont parfois les mêmes ! tels l'aragonite, la barytine mais aussi le gypse, la fluorine, le soufre, la cérusite, il y en a moins cette fois disons une quinzaine. Tout ceci dépend des conditions physico-chimiques de l'environnement minéral.

Pseudomorphose de cristaux de sel (cubiques) par du sédiment - calcaire

2 - Spectre de la calcite :

Le spectre de réflexion que vous avez ci-dessous est obtenu en illuminant un échantillon avec une lumière blanche définie et en mesurant pour chaque longueur d'onde la quantité de lumière réfléchie par l'échantillon choisi. Les autres photons sont absorbés par l'échantillon de différentes manières. Ainsi ces spectres peuvent servir à identifier, par comparaison, la composition d'un échantillon inconnu en nous donnant des informations sur sa composition chimique.

Spectre de lumière réfléchie pour la calcite d'après Clark et al.

3 - La biréfringence du spath d'Islande (calcite très pure et transparente) :

C'est sur la calcite qu'on été réalisées le plus d'études sur ce phénomène qui fait maintenant partie de tous les TP de physique des étudiants en optique. Les schémas ci-dessous sont d'ailleurs tirés d'un cours de l'Université de Nantes.

C'est la particularité qu'ont certains minéraux de dévier et même diviser en 2 le rayon de lumière qui les traversent. Les professionnels expriment numériquement la biréfringence. Ils calculent les 2 indices de réfraction du minéral, font une soustraction et la différence entre les 2 donne la valeur de la biréfringence.

Calcite ice spath Iceland

Un minéral qui n'a qu'un indice de réfraction est forcément monoréfringent : en effet on ne peut pas faire la soustraction puisque l'on a qu'un seul nombre.

On attribue généralement au Danois Erasmus Bartholinus la découverte de la biréfringence du spath d'Islande. Ses expériences sont décrites dans un ouvrage intitulé: « Experimenta crystalli Islandici » écrit en 1670. En 1690 le physicien hollandais Christiaan Huygens suppose que pour l'une des images observées à travers le cristal, les rayons suivent un trajet ordinaire (IJo), voir ci-dessous, obéissant aux lois normales de la réfraction avec des surfaces d'onde sphériques. Pour la seconde image, le trajet extraordinaire des rayons (IJe) n'obéit pas aux lois normales de la réfraction et il propose d'utiliser des ellipsoïdes comme surfaces d'ondes. Il découvre également que la double réfraction disparaît, lorsque les rayons réfractés dans le plan de section principale sont parallèles à la diagonale AA', qui sera la direction de l'axe optique du cristal. Sa méthode est encore en usage actuellement.

Schéma de la biréfringence

Le plan ACA'C', en pointillé sur le schéma de gauche est normal aux faces ABCD et A'B'C'D' dans lequel les images ordinaires et extraordinaires du trait semblent se superposer sera le plan de section principale. Le cristal que nous utilisons est un rhomboèdre régulier.
Sur la figure du milieu (plan de section principale), comme dans tout plan parallèle à celui-ci, un rayon incident normal à la face d'entrée se divise en deux rayons dont l'un suit un trajet ordinaire IJo et l'autre un trajet extraordinaire IJe.

Le schéma de droite montre les 3 plans de section principaux qui ont pour intersection la diagonale AA', qui sera par la suite la direction de l'axe optique.

4 - Calcite-Dolomite-Magnésite :

La structure des minéraux de la dolomite est semblable à celle de la calcite mais le diamètre des atomes de calcium et de magnésium sont différents de 33% environ ce qui oblige le cristal a être très ordonné. Dans la dolomite, en effet, on trouve une couche d'ion Ca et une couche d'ions Mg alternativement entre les couches de carbonates ce qui signifie que le rapport Ca/Mg est de 1. Mais il faut atteindre des températures très élevées de plus de 1000 degrés pour avoir une solution solide calcite-dolomite, ce n'est en revanche jamais le cas entre la dolomite et la magnésite. Voici donc le diagramme du système calcite-dolomite-magnésite.

Diagramme calcite-dolomite-magnésite.

5 - Les isotopes dans la calcite et les paléoclimats :

Il y a équilibre chimique quand deux réactions se déroulent en sens inverse à la même vitesse. Dans le cas particulier des équilibres isotopiques, il y a partition des isotopes d'un même élément entre deux composés ou deux phases ayant des rapports isotopiques différents.

Les modifications de composition isotopique du carbone peuvent être mises en évidence par la mesure du rapport ¹³C/¹²C. Le carbone 13 est un isotope stable dont la concentration est mesurable avec beaucoup de précision par spectrométrie de masse. Ces mesures isotopiques s'expriment en termes de différence, δ ¹³C, entre le rapport ¹³C/¹²C de l'échantillon et le rapport ¹³C/¹²C d'un carbone standard. Elle est exprimée par rapport à un étalon de référence (Belemnite de la Peedee formation PDB, U.S.A) sous forme de δ ¹³CPDB.
Par définition le δ ¹³C de référence ( PDB ) est égal à 0 pour mille.
( éch = échantillon ; std = standard )

δ¹³C = ¹³C/¹²C éch – ¹³C/¹²C std : ¹³C/¹²C std

pour exprimer cette variation en o/oo on multiplie le résultat par mille.

L'âge radiométrique prend alors la valeur :

Au cours des équilibres physico-chimiques, des réactions géochimiques et biologiques auxquels il participe, le carbone subit un fractionnement isotopique dont l'amplitude peut atteindre 3% pour le ¹³C.

Le Pr. GRAIG (1954) ayant montré que l'effet isotopique affectant le ¹⁴C est le double de celui du ¹³C, il est donc possible de tenir compte de ce fractionnement.

Mais le CO₂ n'est pas toujours en équilibre entre l'eau et l'atmosphère, et la température intervient aussi. C'est le cas quand il y a de la photosynthèse dans la couche d'eau superficielle. Dans l'eau de mer, les conditions de pH sont telles que la molécule HCO₃- est dominante. Il faut donc modifier un peu ce calcul.

Le δ ¹³C de la calcite, un indicateur de l'activité biologique des océans. Dans l'océan - comme dans les lacs pendant la période de forte productivité primaire - le profil de δ ¹³C du DIC (carbone inorganique dissous) avec la profondeur reflète cette répartition : le δ ¹³C en surface augmente à cause de la photosynthèse, puis il décroît dans la zone d'oxydation de la matière organique par apport de ¹²C, avant de trouver une valeur d'équilibre en profondeur. Ce gradient de δ ¹³C du DIC est un témoin du fonctionnement biologique de l'écosystème océan.

La calcite des tests de foraminifères, un enregistreur du gradient de δ ¹³C du DIC (voir aussi le calcaire et la vie, à propos des foraminifères). Les foraminifères sont des unicellulaires marins qui vivent soit dans les eaux de surface soit dans les eaux du fond. Ils possèdent un test en calcite qui sédimente après la mort de l'animal et est fossilisé. La calcite des tests a précipité en équilibre avec l'eau de mer, son δ ¹³C reflète donc le δ ¹³C du milieu de l'époque. La comparaison du δ ¹³C des tests de foraminifères planctoniques et benthiques fournit une estimation du gradient de δ ¹³C entre la surface et le fond. On a ainsi utilisé ce type de résultats pour travailler sur les grandes extinctions de l'histoire de la vie et pour essayer d'interpréter ces événements.

On obtient des renseignements intéressants, par exemple pour l'extinction K/T, extinction Crétacé-Tertiaire :

Un ordre de grandeur de la rapidité d'extinction : 50 000 ans
Extinction globale des organismes photosynthétiseurs de la couche superficielle des océans donc arrêt de production de matière organique et la permanence de la crise sur 400 000 ans.

Retour très progressif à des conditions favorables à la vie, dans un état différent de l'état antérieur à la crise, ce que l'on peut voir dans le changement du δ13C des eaux de surface.

6 - La dureté de l'eau et la précipitation du calcaire :

Le terme dureté est utilisé, lorsqu'il s'agit de caractériser l'eau, dans un sens inhabituel puisqu'une eau dure est simplement une eau qu'on a du mal faire mousser. Ceci est dû à la présence de sels tels que le carbonate de calcium ou de magnésium. Un des rôles essentiels de la consommation domestique en eau (outre d'être potable) est de se laver et de nettoyer le linge, la vaisselle etc. De plus, une eau dure entartre plus rapidement les tuyaux et les appareils domestiques, ce qui entraîne des coûts supplémentaires.

La dureté est directement mesurée par la concentration en carbonate de calcium.

Dureté de l'eau en France

Vert : faible < 15°f ; bleu entre 15 et 25 ; jaune entre 25 et 35 ; rouge, très forte > 35°f

Un degré français vaut 10 milligrammes par litre (mg/l) de carbonate de calcium. L'eau est dite douce jusqu'à 18°f. En-dessous de 12°f elle risque de faire trop de mousse, ou d'être trop pauvre en sels minéraux pour être consommable. Entre 18 et 30°f l'eau est mi-douce. Au-dessus de 30°f l'eau est dure. Au-delà de 50°f elle est réputée impropre à la consommation.

L'eau de pluie est naturellement douce voire trop douce. Au contraire, l'eau issue de terrains calcaires tend naturellement à être dure.

Si des eaux calcaires arrivent en surface dans un endroit chaud et sec, elles s'évaporent et la saturation finit par provoquer la précipitation du calcaire. On peut voir ceci à grande échelle dans le parc national d'Etosha en Namibie où tout le bord sud du pan (lac asséché une partie de l'année, voire même plusieurs années consécutives) est entouré de « calcrete », ce calcaire évaporitique très blanc.

Calcrete à Etosha

7 - Concentration de calcite dans les océans :

La solubilité varie en fonction de la température, du pH, de la profondeur (de la pression donc). Ne pas oublier que l'équilibre ici fait intervenir un gaz le CO₂

Bien qu'il y ait beaucoup plus de magnésium que de calcium dans l'eau de mer les organismes préfèrent tous les ions calcium . Nous aussi d'ailleurs, une eau trop magnésienne est amère et laxative !

Chaque année des milliards de petites plantes unicellulaires appelées coccolithophores larguent leur coccolithes au fond de l'océan lors de leur mort, ainsi plus d'un million et demi de tonnes de poussière de calcite se répand dans l'océan, c'est la source la plus importante de la planète. On peut observer cela par satellite, chaque mois, et un spectroradiomètre peut nous en donner une image sous forme de planisphère avec les concentrations de calcite de 0,1 à 20 mg de carbone par mètre cube d'eau de mer.

Coccolithes

Les coccolithophores sont près de la surface et font de la photosynthèse : ils absorbent donc les UV et reflètent les verts ce qui donne des reflets verts à l'océan quand ils sont nombreux….alors que leur test sont blancs et reflètent toutes les longueurs d'onde. S'ils sont très abondants (on appelle cela une floraison, en biologie) ils forment donc beaucoup de calcite en surface et ceci peut avoir une influence sur l'atmosphère, à travers l'équilibre du CO₂ dissous dans l'eau ou gazeux dans l'air. Chaque fois qu'une molécule de calcite est formée, une molécule de CO₂ est prélevée dans l'eau donc une molécule de l'air peut s'y dissoudre : ceci pourrait aider à diminuer l'effet de serre mais on ne connaît pas du tout les effets à terme de cette réaction, d'autant plus que le CO₂ peut revenir dans l'atmosphère lors de la dissolution du calcaire avec la profondeur qui déplace l'équilibre dans l'autre sens, ou une modification de la température de l'eau, les choses sont donc assez compliquées mais plusieurs scientifiques pensent que le bilan pourrait être positif …à voir donc, quand on aura plus d'informations sur le sujet !

Sédimentation marine actuelle tiré de : Caron et al. : Comprendre et Enseigner la Planète Terre.

• rose (antarctique) :

boues siliceuses (radiolaires)

• jaune :

vases calcaires (> 60% biogènes)

• bleu foncé :

vases marneuses = mélange argile + calcite (%)

• gris (pacifique, au large) :

argiles pélagiques, argiles rouges, sédiments métallifères (nodules de manganèse), < 30% calcite

• bleu clair (autour des continents) :

carbonates de plateforme, localement deltas détritiques (limons et argiles)

8 - Le karst ou la dissolution du calcaire par la pluie (acide) :

De karst, nom allemand de la région des plateaux calcaires de Slovénie dont le nom slave est Kras. L'adjectif karstique est attesté en 1896 (de Lapparent)

Définition : région de formation calcaire caractérisée par la prédominance du drainage souterrain et par le développement d'une topographie originale due à la corrosion de la roche (grottes, gouffres, résurgences…) Plusieurs concepts importants sont associés au karst. Il faut retenir ceux de phénomène karstique, de système karstique, d'aquifère karstique et de réseau karstique, pour lesquels des définitions peu précises, variant selon les auteurs, peuvent avoir cours.

L'expression " réseau karstique " désigne parfois le réseau de conduits, ou réseau de drainage d'un système karstique. Mais elle aussi utilisée parfois dans la littérature spéléologique pour désigner le réseau spéléologique des conduits naturels interconnectés, parcourus ou non par de l'eau, reconnus par exploration. Un réseau spéléologique est le plus souvent constitué par un ensemble de conduits qui se sont formés lors de phases de karstification successives dans un massif.

Schématique de paysage karstique

Dans ces roches, la dissolution et l'écoulement souterrain créent des conduits organisés en réseau hiérarchisé de l'amont (les points d'infiltration d'eau dans la roche) vers l'aval (la source). En dehors du réseau karstique, les vides dans la roche sont constitués par des cavités et par les discontinuités de la roche (fissures, fractures et plans de stratification plus ou moins élargis par la dissolution); tous ces vides sont mal connectés hydrauliquement aux conduits. Cette organisation se fait à la manière de celle des fleuves et des rivières, en fonction de la pente générale et de la résistance opposée par la roche (perméabilité); elle peut être plus ou moins linéaire et simple, ou très complexe.

Dans quelles conditions se forme un karst ? Le processus de mise en place du karst (= la karstification) est rapide, en temps géologique évidemment ; pour qu'un réseau se mette en place, il suffit de quelques dizaines de milliers d'années au maximum. Un réseau souterrain se met en place en se "calant" sur le niveau le plus bas des calcaires dans le paysage : c'est le niveau de base, où apparaît la source. Mais les écoulements peuvent se produire à des niveaux inférieurs à celui de la source, en profondeur dans la formation géologique. Ainsi, pour que se forme le karst, il faut que soient réunies les conditions suivantes :

L'eau doit pouvoir dissoudre la roche, donc contenir un acide. L'acide le plus commun résulte de la dissolution du dioxyde de carbone (CO₂) produit par la végétation dans les sols.

Equation de la dissolution du CO₂ dans l'eau

Equation de la dissolution de la calcite (CaCO₃)

Carte de karst Europe de moyennes latitudes

En bleu les régions fortement karstiques, en vert, les régions à phénomènes karstiques locaux.

L'eau doit pouvoir s'écouler à l'intérieur de la roche, c'est-à-dire que l'écoulement souterrain doit se produire, de préférence à l'écoulement superficiel. Comme les vides de la roche (fissures, fractures et joints de bancs) possèdent à l'origine une très faible largeur pour la plupart, la roche présente une faible perméabilité, c'est-à-dire qu'elle oppose une forte résistance à l'écoulement souterrain. Il faut donc qu'existe une charge suffisante d'eau souterraine, soit une hauteur suffisante par rapport au point de sortie. Cette condition est remplie lorsqu'il existe un relief bien marqué, comme en montagne ou dans les régions de plateaux traversés par des gorges (canyons).

Karst de la région de Guilin en Chine

Les mécanismes sont : la dissolution de la roche, l'écoulement souterrain, qui évacue au fur et à mesure les matières dissoutes. La dissolution des roches carbonatées, calcaire et dolomie, est un ensemble de réactions complexes mettant en jeu trois phases : solide, la roche, CaCO₃ ou Ca Mg (CO₃)₂, liquide, l'eau et ses substances en solution, gazeuse, le CO₂ produit dans les sols. Il s'agit des réactions se produisant entre l'eau et l'air (dissolution ou évasion du CO₂), entre l'eau et la roche (dissociation des minéraux carbonatés) et à l'intérieur de la solution (combinaison des différents ions entre eux). Comme ces réactions ne sont pas immédiates, et se déroulent à des vitesses différentes, la dissolution de la roche se produit soit en surface, soit plus ou moins en profondeur, selon que l'eau circule lentement ou plus ou moins vite. Quand une fissure est élargie par la dissolution, le débit qui la traverse augmente aux dépens des fissures voisines ; elle prend alors de plus en plus d'importance et devient progressivement un conduit. Toutes les fissures voisines cessent de s'élargir, puisque toute l'eau passe par le conduit. Noter qu'en France une partie du Jura, du massif du Vercors etc. comportent des réseaux karstiques. Noter encore que l'eau de ces réseaux n'a pas été filtrée par les couches géologiques et donc provient directement de la surface, avec tous ses polluants ! Dans un karst, on n'a pas des nappes phréatiques, juste des réservoirs souterrains…

La cristallographie est la science des cristaux, au sens large, elle étudie la formation, la croissance, la forme extérieure, la structure interne, et les propriétés physiques de la matière cristallisée. Le mot "cristal" est d'origine grecque, et provient de: kruos (froid) et stellesoai (solidifier). La minéralogie étudie la description des espèces constituant les roches naturelles et comme la plupart des minéraux sont cristallins les 2 se recoupent souvent !

Cristal de calcite rose de Tsumeb

Une différence cependant il y a beaucoup de cristaux synthétiques qui n'entrent pas dans la minéralogie mais dans la chimie et la physique ! Après avoir fait partie de la minéralogie, dont elle était une introduction, la cristallographie est devenue, depuis la fin du XIXe siècle, une science indépendante apte à pouvoir mener l'étude de la morphologie, de la texture et de la structure des cristaux :

• la morphologie :

est la description complète de la forme extérieure (macroscopique) d'un monocristal au moyen de la mesure des angles des facettes (dièdres) ;

• la texture :

est la description de la forme, des dimensions, et de l'orientation mutuelle des monocristaux dans un matériau polycristallin tel qu'un métal ou une poudre, un sol, une céramique, etc.;

• la structure :

est la description complète de l'empilement des individus (atomes, ions, ou molécules) constituant le cristal lui-même (phase homogène).

La science moderne définit l'état cristallin comme l'un des états caractéristiques de la matière, celui où elle apparaît avec un maximum d'ordre ; de cet ordre découlent des propriétés physiques particulières. La toute première loi de la cristallographie est celle de la constance des angles entre les faces des cristaux (c'est-à-dire des angles dièdres) ; elle a été découverte et énoncée par STENON (XVIIe siècle). Vers la même époque on avait déjà observé le phénomène de double réfraction dans le Spath d'Islande (calcite transparente) et HUYGENS a établi les bases de l'optique cristalline, en émettant l'hypothèse que les propriétés optiques des cristaux pouvaient s'expliquer par les règles de leur arrangement interne. La deuxième loi fondamentale de la cristallographie, dite des caractéristiques entières, a été découverte au 18ème siècle, par l'abbé HAUY, à la suite de l'observation de cristaux de calcite se morcelant toujours suivant des directions planes déterminées identiques, ou clivages, en donnant des surfaces brillantes.

Haüy

C'est ensuite MILLER, au XIXème siècle qui, appliquant à la cristallographie les méthodes de la géométrie analytique, créa un système de notations rationnelles, les indices de Miller pour désigner l'orientation des faces. Cette notation est toujours largement utilisée, car elle est simple et performante. Enfin, on doit à WULFF, au début de ce siècle, d'avoir mis au service de la cristallographie un outil géométrique remarquable, la projection stéréographique, et de l'avoir rendu commode à utiliser grâce au canevas de Wulff. Celui-ci permet de faciliter grandement les études morphologiques et simplifie les calculs préliminaires sur les réseaux. La projection stéréographique est utilisée aussi dans d'autres sciences : géographie, pétrographie, astronomie et étude des angles de pente des affleurements miniers et des veines de gisements.

La majorité des phases solides de substances pures sont cristallines. L'état cristallin est l'état solide normal des corps purs le plus stable. Pratiquement toutes les substances inorganiques naturelles sont cristallines ainsi que briques, béton, céramiques, réfractaires…mais aussi certaines substances organiques dans certaines conditions en tous les cas : protéines, vitamines, ADN…etc.

Il est caractérisé par un ordre tridimensionnel, périodique, constitué d'un ensemble d'atomes, organisés suivant un ordre défini, par la répétition périodique d'atomes ou de groupements d'atomes suivant trois directions de l'espace. Ce groupe d'atomes est appelé le motif du cristal. Quant aux extrémités des vecteurs définissant les translations dans l'espace, elles constituent un ensemble de points : les nœuds du réseau. L'observation de ceci n'a été rendue possible que depuis une cinquantaine d'années grâce à la diffraction des rayons X. Ajoutons quand même pour terminer qu'un cristal comporte pratiquement toujours quelques impuretés au moins !

La calcite fait partie des minéraux de la classe des carbonates , comportant 2 groupes, dont voici un résumé.

Groupe de la Calcite et de l'Aragonite

Ce sont des minéraux correspondant à la formule XCO₃ où X représente un élément métallique bivalent: Ca, Mg, Zn, Mn, Fe²⁺, Co, Sr, Ba, Pb. Ils forment deux séries isomorphes: celle de la calcite cristallisant dans le système rhomboédrique et celle de l'aragonite cristallisant dans le système orthorhombique. Pour les autres carbonates, le cation détermine la structure du minéral. Celle ci est rhomboédrique et isomorphe de la calcite quand ils contiennent des cations de petite taille (Fe², Mg, Zn, Co), et orthorhombique et isomorphe de l'aragonite quand ils contiennent des cations de grande dimension (Sr, Ba, Pb). La dimension de l'ion calcium satisfait simultanément les conditions des deux structures et permet d'expliquer le dimorphisme de CaCO₃.

1 - Série de la calcite:

Calcite : carbonate de calcium CaCO₃ rhomboèdrique, D = 2.6 - 2.8

Calcite CK

Dolomite : carbonate de calcium et de magnésium CaMg(CO₃)₂ rhomboédrique
Magnésite : carbonate de magnésium MgCO₃ rhomboédrique
Rhodochrosite : carbonate de manganèse MnCO₃ rhomboédrique
Sidérite : carbonate de fer FeCO₃ rhomboédrique
Smithsonite : carbonate de zinc ZnCO₃ rhomboédrique

2 - Série de l'Aragonite:

Aragonite : carbonate de calcium CaCO₃ orthorhombique, D = 2.95

Aragonite de Challans (85)

Cérusite : carbonate de plomb PbCO₃ orthorhombique
Strontianite : carbonate de strontium SrCO₃ orthorhombique
Withérite : carbonate de baryum BaCO₃ orthorhombique

Groupe des carbonates basiques, le deuxième groupe de carbonates comprend 3 minéraux hors sujet pour nous ici : azurite, malachite et phosgénite.

Nous ne prendrons en compte ici que la calcite, la dolomite, la magnésite et l'aragonite qui sont directement liées au « calcaire ».

Rhomboèdre et développement

La calcite cristallise donc dans le système rhomboèdrique, elle a un clivage parfait selon (10.1) caractéristique des rhomboèdres.

Rhomboèdre élémentaire de la calcite

Elle peut présenter jusqu'à 700 formes de cristaux différents toujours dans le même système et aussi un certain nombre de macles, association intime de 2 ou plusieurs cristaux selon des plans précis. Si lors de la croissance des cristaux maclés plusieurs formes cristallines sont présentes la morphologie de la calcite peut devenir très complexe et leur détection est parfois difficile même pour les experts.

Différentes macles de calcite

Il peut aussi y avoir avec la calcite des cristallisations par croissance parallèles de cristaux, sous des formes cristallines différentes mais qui ne sont pas des macles et on peut observer par exemple des cristaux rhomboédriques en présence de cristaux aciculaires….

La calcite se présente aussi souvent sous forme de masses dont les cristaux sont granulaires et microscopiques, par exemple les stalactites. Les eaux courantes calcaires sont à l'origine d'une très grande quantité de dépôts différents : tufs, travertins, onyx, stalactites et stalagmites, concrétions oolithiques écailles, structures fibreuses…etc. suivant que les dépôts s'effectuent en eau douce dans un paysage karstique, ou en eau salée dans les dépôts marins ou encore dans des geysers…

La calcite présente un nombre impressionnant de couleurs dues à des impuretés et aussi d'inclusions dont nous ne pouvons pas non plus faire un inventaire exhaustif mais citons par exemple : du cuivre, la goethite, l'hématite, le quartz, la natrolite, la malachite,…certains de ces minéraux sont associés à la calcite comme phases séparées.

Calcite couleurs

L'aragonite, la forme hydratée du carbonate de calcium doit son nom à la localité espagnole de Molina de Aragon, d'où proviennent les cristaux les plus typiques, elle cristallise dans le système orthorhombique dont voici le développement.

Système orthorhombique et développement

L'aragonite constitue le squelette calcaire de beaucoup d'organismes marins vivants et se décline en de nombreuses variétés, aux noms spécifiques selon leurs formes ou la présence d'autres éléments chimiques. L'aragonite cristallise en individus habituellement fins et allongés, réunis en touffes ou en groupes rayonnants.

Aragonite blanche en amas

On la trouve également en gros cristaux maclés en forme de prismes hexagonaux trapus, constitués par l'union de trois spécimens, ces macles sont facilement reconnaissables. Parfois, l'aragonite se présente aussi sous forme globulaire ou sous forme de stalactite, en masses compactes fibreuses ou en incrustations. Incolore et transparente, ou colorée et translucide avec un éclat vitreux, l'aragonite est moyennement dure, lourde, fragile, et dotée d'un clivage prismatique difficile.

Aragonite en ME

Elle cristallise bien dans les eaux riches en chlorure de sodium, de basse température, donc elle est formée à proximité de la superficie terrestre (grottes, zones d'oxydation de gisements minéraux, sources chaudes). Elle est aussi un matériau métamorphique typique du métamorphisme haute pression, basse température : le faciès des schistes bleus. Dans beaucoup d'organismes, le test primitif, formé d'aragonite, se transforme ensuite en calcite. Les perles et la nacre( voir page sur l'utilisation du calcaire) sont constituées de lamelles d'aragonite mélangées à des matières organiques. Moins commune que la calcite, l'aragonite est un minéral qui se trouve surtout en dépôts dans les marnes du Trias salifère pyrénéen, comme à Bastennes (Landes) ou à Molina de Aragon (Espagne). Cependant, les plus beaux cristaux proviennent des formations lagunaires de Sicile. L'aragonite, surtout en association avec la limonite, forme des échantillons spectaculaires dans les anciennes mines de fer de Styrie (Autriche), et dans les gisements métallifères des Pyrénées par exemple. Elle est fréquente dans certains gîtes de plomb d'Iran, en particulier dans les zones d'oxydation. Une variété d'aragonite plombifère connue sous le nom de tamowitzite est présente dans les mines de Tsumeb (Namibie).

La dolomite est une espèce commune dans les roches sédimentaires et constitue principalement un produit diagénétique des calcaires. Elle est aussi connue dans les marbres et des roches évaporitiques. Le nom de ce carbonate fait honneur à Déodat de Dolomieu (1750-1801), l'ingénieur français qui décrivit ses caractéristiques. Elle est utilisée en construction et dans les réfractaires. Elle est blanche ou incolore en cristaux purs. Il y a une seule forme maclée connue. Elle se présente aussi sous forme d'agrégats plus ou moins fins.

Dolomite

La plupart des dolomites se forment à partir de calcite et d'aragonite, dans les sédiments, sous l'action de liquides circulants, plus ou moins riches en magnésium (sources marines ou hydrothermales), lors des processus de diagenèse. La recristallisation métamorphique donnera un marbre.

La magnésite , carbonate de magnésium provenant d'altération de roches ignées et métamorphiques riches en magnésium, elle apparaît sous la forme d'amas blanchâtres plus ou moins granulaires. Quelquefois elle provient de roches sédimentaires par précipitation directe ou en remplacement d'un autre minéral. Il est très rare d'avoir des cristaux individualisés de magnésite.

Magnésite

De première importance dans la fabrication des réfractaires elle intervient aussi dans la fabrication du caoutchouc et du papier.

Le calcaire est, de nos jours une roche presque exclusivement d'origine biogénique, c'est-à-dire qu'elle est fabriquée par des êtres vivants : algues, mollusques etc. Il existe quelques variétés – confidentielles au niveau de la planète – de calcaire précipité. Mais il a été dissous avant, à partir de calcaire biogénique, c'est le cas en tous les cas pour les calcaires de grottes. Mais il y a, sans doute, des calcaires d'origine strictement chimique avant l'apparition de la vie puisque le calcium et le gaz carbonique existaient….et dans les eaux saturées autour d'une petite particule qui peut servir de germe…

La seule source de calcaire igné connue à ce jour est une lave appelée carbonatite.

Carbonatite en cathodoluminescence
Sur la photo ci-dessus : calcite = rouge, apatite = rose, aegirine et augite = noir
© Figure from R. Hagni and P.A. Shivdasan, Characterizing MegascopicTextures in Fluorospar Ores at Okorusu Mine, from JOM, vol. 52 (4), April 2000, pages 17-20.

La cathodoluminescence est la lumière qu'émet un cristal soumis au bombardement d'un faisceau d'électrons. Elle résulte de l'excitation des éléments traces présents dans le cristal. Mn et Cu par exemple activent la cathodoluminescence, le fer l'inhibe par exemple. La cathodoluminescence d'un minéral s'observe en lame mince sous un microscope optique ou en MEB. Elle se caractérise par son spectre lumineux. Elle dépend des concentrations en éléments traces et de leur environnement électronique dans le cristal.. Elle révèle souvent des zonations de croissance liées à de très faibles variations de teneur en éléments traces dans des minéraux comme la calcite par exemple. Elle permet de distinguer des minéraux dont les propriétés optiques sont très proches mais dont les couleurs de cathodoluminescence sont très différentes dans les carbonates.

Les carbonatites (une centaine d'affleurements dans le monde) sont principalement constituées de carbonates de calcium (calcite), de calcium et de magnésium (dolomite) ou de fer et de magnésium (sidéro-magnésite). Seules les laves du Lengai (Tanzanie, le seul volcan a émettre actuellement des carbonatites) sont constituées de carbonate de sodium. Ces carbonates sont accompagnés de minéraux accessoires (des silicates de type mica brun (phlogopites) ou des phosphates (apatites). Elles sont assez souvent riches en terres rares (niobium, tantale ..) et peuvent servir de minerais pour ces métaux rares.

Le calcaire peut naturellement, comme toutes les roches, subir un métamorphisme (augmentation de pression et de température qui transforment la roche): on obtient alors du marbre. (voir, ci-dessous, le paragraphe sur le marbre)

Cycle des roches

Il y a différents types de roches sédimentaires selon le matériau présent. Voici un diagramme donnant schématiquement la composition des différentes roches sédimentaires :

Triangulaire des groupes de roches sédimentaires

• La sédimentation carbonatée.

Les sédiments littoraux des régions de basses latitudes sont à dominance carbonatée. La raison en est le faible apport de silice venant du continent et surtout l'intensité de la production de carbonates d'origine biologique. Sous ces latitudes, les organismes marins côtiers prolifèrent et précipitent l'ion calcium prélevé de l'eau de mer sous forme de carbonate qui s'accumule puisque moins soluble dans les eaux chaudes. Le bilan du calcium en solution dans l'eau de mer reste plus ou moins équilibré : les fleuves apportent des ions calcium issus de l'altération continentale, une partie des carbonates marins est dissoute en eau froide.

• La précipitation biologique de carbonate de calcium se fait principalement de 4 façons :

1 - des animaux fixés fixent le calcium dans leur squelette et édifient des constructions carbonatées (bioconstructions): c'est le cas des coraux par exemple (voir chapitre : le calcaire et la vie).
2 - des animaux benthiques fabriquent des coquilles ou tests calcaires qui sont transportés, brisés et accumulés après leur mort, par exemple: mollusques littoraux, oursins…
3 - des micro-organismes et organismes planctoniques accumulent le carbonate de calcium dans leur test ou leur coquille qui tombent sur le fond après la mort: exemple des foraminifères planctoniques, des coccolithophoridés (à l'origine de la craie, voir ci-dessous). Leur contribution devient prépondérante en haute mer.
4 - des algues et des cyanobactéries (ou "algues bleues") précipitent le carbonate autour de leur thalle et agglomèrent les particules calcaires pour former des constructions appelées stromatolites.

Voir le dossier : Les algues : première lignée végétale

Il existe également une précipitation purement chimique du carbonate autour de particules en suspension (formation des oolites).

Oolithes

Enfin, les sédiments carbonatés peuvent provenir du remaniement par les vagues de roches calcaires pré-existantes.
Le carbonate de calcium est sous forme d'aragonite, de calcite, de calcite magnésienne et de dolomite.

• Profondeur de compensation CCD.

Les 2 grands bassins français, le bassin de Paris et le bassin d'Aquitaine sont constitués de dépôts calcaires qui se sont formés au cours de millions d'années et par leur propre poids ont participé à la subsidence de ces bassins. Les couches ont donc pu continuer à se déposer pendant tout ce temps sans que la profondeur devienne trop grande. En effet si la profondeur augmente trop il arrive un moment où le calcaire ne se dépose plus. La dissolution du calcaire augmente avec la profondeur: ce phénomène est dû à la teneur en CO₂ qui est grande à basse température et sous pression. Au delà d'une certaine profondeur, tous les débris carbonatés sont dissous et le sédiment ne contient pas de carbonates: cette limite est la profondeur de compensation des carbonates ou CCD (Carbonate Compensation Depth). Cette limite est située vers -5000 m dans l'Atlantique. Elle est moins profonde dans les hautes latitudes où l'eau est plus froide.

Voir aussi, à ce sujet, dossier sur la silice.

• Lithification du sédiment

La majeure partie des roches carbonatées des séries géologiques provient de la lithification de sédiments carbonatés littoraux. La diagénèse des sédiments carbonatés commence très précocement. Elle comprend deux aspects principaux: (1) la cimentation, (2) la transformation isochimique des éléments ou néomorphisme. Des changements de composition chimique conduisent à la dolomitisation de la roche. La cimentation diffère selon la zone littorale considérée. Les ciments d'eau douce sont souvent constitués de calcite sparitique peu magnésienne alors que les ciments marins sont le plus souvent micritique et très magnésiens ou formés d'aragonite aciculaire.

Dans la zone supratidale et le domaine continental, les pores du sédiment sont remplis alternativement d'eau douce ou d'air. Le carbonate précipite dans les vides sous forme de ciment gravitaire (ou stalactitique) à la face inférieure des grains et se cimente en ménisque entre les grains. La précipitation se poursuit sous forme de calcite peu magnésienne en grands cristaux irréguliers. L'aragonite des débris d'organismes est dissoute; le magnésium des grains en calcite magnésienne est lessivé.

En zone phréatique, le ciment est d'abord « en frange » autour des grains; la sparite remplit ensuite les vides.

En mer, dans la zone intertidale, les sables de plage sont cimentés par des cristaux aciculaires d'aragonite et de calcite magnésienne ; dans la zone subtidale, des cristaux aciculaires d'aragonite et des petits cristaux de calcite magnésienne remplissent les cavités des fragments calcaires d'organismes. Les grains sont rassemblés en agrégats.

En milieu plus profond, la calcite magnésienne microcristalline domine. Les phénomènes de cimentation continuent pendant l'enfouissement; la calcite sparitique précipite dans les pores. Les cristaux changent de forme et de structure par recristallisation (néomorphisme) : remplacement aragonite/calcite, calcite fibreuse/calcite micritique, recristallisation... La transformation de calcite en dolomite plus stable peut apparaître précocement, peu après le dépôt, ou dans les derniers stades de la diagénèse.

Naturellement dans le même temps les coquilles et tests qui se trouvent dans le sédiment subissent eux aussi une lithification et se transforment en fossiles au cours du temps.

Fossiles de l'éocène du Bassin de Paris, Furon et Soyer,1947.

Pour classer les roches carbonatées nous suivrons la classification de Folk qui retient 2 critères distinctifs :

Le ciment soit micritique (grains < 4μm ) soit sparitique (grains > 4μm )
Les éléments figurés : débris (clastes) sphérules (ooïdes s'ils sont massifs et oolithes s'ils sont formés de couches concentriques) ou de pelotes fécales (pellets). Il peut s'agir de bioclastes s'ils proviennent de fossiles ou d'intraclastes s'ils proviennent de débris divers.

Attention pour les néophytes : ne pas confondre roches carbonatées, calcaires donc, et roches carbonées (pétrole, gaz et charbons) !

Schéma de classification des roches carbonatées.

• Un exemple de roche calcaire : la craie

Bien sur il y a beaucoup d'autres choix possibles : les calcaires à nummulites (petites coquilles rondes, Col du Sanetsch en Suisse par ex.), les calcaires oolithiques de l'Oxfordien (Trouville par ex.), le Lutécien de l'ère tertiaire etc…mais il faut toujours choisir !

La craie, donc, est une roche calcaire, composée à plus de 90% de CaCO₃. C'est une roche biomicrite (calcaire à microorganismes et à grain fin), friable et poreuse. La fraction non-carbonatée très faible comporte du quartz, des feldspaths, des micas, des minéraux lourds, de la glauconite, des argiles (illite et montmorillonite). Le reste est fourni par des débris d'organismes consistant en :

1 - des éléments dissociés de Coccolithophoridés, c'est-à-dire des Algues microscopiques, unicellulaires, munies de flagelles et vivant dans le plancton. Ces éléments dissociés de forme discoïdale sont appelés des coccolithes et représentent de 20 à 50% de la craie. A cause de leur taille extrêmement petite, les coccolithes sont classés dans les nanofosiles (nano=10^-9).

Craie de ME

2 - des Foraminifères planctoniques et benthiques.
3 - quelques plus grosses coquilles (débris) comme des Lamellibranches par exemple.

La craie est constituée essentiellement par ces débris faiblement cimentés par de la calcite. Il subsiste des vides. Il est probable que la sédimentation des coccolithes se soit faite par l'intermédiaire de boulettes fécales excrétées par des Copépodes (petits Crustacés) ou par des Tuniciers. Le taux de sédimentation moyen pouvait atteindre 15 cm / 1000 ans. La profondeur de dépôt peut être estimée d'après le type de faune. Les silex sont des accidents siliceux formés à l'intérieur de la craie. Voir, au sujet du silex Le dossier sur la silice. La craie s'est déposée au cours du Crétacé supérieur entre 90 et 65 Ma. A l'origine, la craie avait la consistance d'une boue qui, au cours des temps, s'est compactée en expulsant son eau et en se cimentant. La craie est une roche rare sur le globe et dans les temps géologiques bien qu'elle soit abondamment représentée dans la région du bassin de Paris.

Falaises d'Etretat

En dehors du Bassin Parisien, la craie est essentiellement cantonnée au NW de l'Europe formant des falaises remarquables (Kent, Sussex, île de Wight, Danemark ...). La craie est une roche utile (Voir chapitre sur utilisation du calcaire).

• Le calcaire métamorphique : le marbre.

Blanc de Carrare

Au pied des Alpes Apuanes, entre les Apennins et la mer, Carrare doit sa renommée mondiale au marbre blanc qui la domine. Aujourd'hui, le marbre est transporté depuis les carrières par camions, sur de petites routes diablement glissantes quand il pleut, mais à l'époque des romains et jusqu'à il y a à peine 30 ans, se pratiquait la lizzatura : les blocs de marbre, souvent de plusieurs tonnes, étaient descendus des montagnes grâce à l'habilité des carriers en tirant et en poussant tant bien que mal les blocs ficelés, et assurés par des cordes au sommet de la pente, …à force d'hommes. Puis ils étaient tirés jusqu'à la côte, pour l'exportation, à l'aide de boeufs. Le sciage de mine se faisait au câble d'acier et il fallait 3 semaines pour débiter un bloc, alors que maintenant le sciage se fait au diamant, avec des machines qui entraîne la chaîne jour et nuit et il ne faut plus qu'un jour pour débiter le même bloc…mais si le travail est moins dur, il est plus stressant : comme les choses se font plus vite il faut être plus attentif au risque qui est plus grand. Sans parler de la montagne qui de temps en temps fait des siennes et débite les blocs toute seule sans qu'on lui demande rien! Et puis les blocs sont ensuite transportés et traités dans de grandes usines automatisées…on gagne en efficacité, on perd en charme, et il ne reste que quelques dizaines d'ouvriers….

Carrière de Carrare

• D'autres gisements existent, par exemple les marbres du Jura en France.

Voir à ce sujet : Marbres et marbreries du Jura

Galerie des Glaces, marbre rouge.

Le musée national du marbre de Belgique se trouve à Rance. En 1608 déjà, son marbre rouge - unique au monde par ses tonalités et le mystérieux univers de sa pâte - était connu au loin : " laquelle pierre, dit un texte de l'époque, est fort recherchée de toutes parts… » Mais c'est à Versailles, dans la galerie des glaces et du Louvre, dans la salle des Rubens, qu'il révèle le mieux son éclat et son miroitement incomparables.

On utilise le calcaire depuis toujours pour la construction,

Carrière de pierre à bâtir de Herblay, 95

de même que le marbre qui est du calcaire métamorphisé. Sachant que l'utilisation de ce dernier est universelle, nous ne citerons que deux exemples célèbres le Taj Mahal et l'Opéra Garnier.

Taj Mahal

La société ILDEI a participé sous la direction de Monsieur Alain-Charles Perrot, architecte en chef des monuments historiques, à la rénovation de l'opéra Garnier en 2000.

Restauration des marbres, colonnes, pilastres, médaillons et bandeaux sans parler des dallages. Le nettoyage des parements des marbres a été effectué par un décapage par application au pinceau de solvant en gel, afin de dissoudre les différentes couches d'encaustique jaunies par le temps, puis ponçage manuel à l'eau par passes successives de grains de plus en plus fins, et enfin finition polie à la potée d'étain.

Opéra Garnier

Les architectes et bâtisseurs ont donc toujours dû trouver le meilleur compromis entre les ressources locales, la qualité géotechnique recherchée et, bien entendu, le coût de la matière première, celui-ci incluant les frais de transport dans le cas de lieux d'approvisionnement éloignés des chantiers.

Dans la Région Centre les paysages urbains portent encore nettement l'empreinte des matériaux de construction tirés du sous-sol, et chaque secteur, marqué par une identité géologique, présente aussi une identité architecturale.

Au Nord, la Beauce avec ses solides et austères maisons de moellons calcaires contraste avec le Perche où les arcatures de briques apportent aux murs enduits une note élégante. Au Centre, le sous-sol argileux de la Sologne est inscrit dans les maisons de briques qui donnent aux villages de ce pays un charme indéniable alors que dans le Sud, les calcaires de la Champagne berrichonne ont fourni les matériaux d'imposantes bâtisses. A l'Ouest enfin, les abords du Vendômois ou de la Touraine, pays de tuffeau, se signalent au visiteur par le style si particulier et l'incomparable couleur des demeures traditionnelles, aussi modestes soient-elles.

Le tuffeau est une roche sédimentaire marine qui affleure dans la zone sud-ouest du bassin parisien, le Val de Loire…

Tuffeau, détail au ME

Le tuffeau est constitué de restes d'organismes et de fragments de roches apportés jusqu'à la mer par les cours d'eau sous forme d'alluvions. Agé de 90 millions d'années, les sédiments déposés ont subi un tassement qui, par pression, a permis leur recristallisation et leur cimentation. Le tuffeau est le résultat de cette transformation du sédiment en roche par cimentation de particules fossiles entre elles. Aujourd'hui, le tuffeau exploité (dit tuffeau blanc) se présente en bancs réguliers et homogènes sur une épaisseur pouvant aller jusqu'à 40 m !mais reste une roche qui s'altère avec le temps…

Décollement en plaques d'un tuffeau

Au crétacé inférieur, sur une épaisseur pouvant atteindre cinquante mètres s'est formé ce tuffeau. Au fil des siècles, travaillé par l'homme ou désagrégé sous l'action de l'eau, un monde souterrain s'est développé dans le sol saumurois : des champignonnières, des caves, des ateliers et de véritables hameaux avec manoirs et des chapelles. C'est près de Turquant, entre Montsoreau et Saumur que vous découvrirez les constructions troglodytiques les plus remarquables. Une promenade à pied depuis l'église de Turquant, vers l'ouest, offre un bel aperçu de la diversité et de l'ingéniosité de l'utilisation de ce cadeau de la nature. Ces troglodytes de coteaux, creusés à même la falaise sont constitués pour l'essentiel de caves et abris utilitaires. L'habitat principal est généralement situé à l'extérieur " décollé " ou appuyé à la roche.

Falun viendrait de l'association de deux mots anciens qui voudraient dire "limon fauve". Les faluns sont des roches (calcaires) essentiellement constituées de fossiles et qui se trouvent dans la même région.

Affleurement de faluns

Cette abondance de coquilles n'avait pas échappé à Bernard Palissy qui avait compris que la mer y était venue avant lui et s'était retirée depuis. Les faluns se sont formés à partir de sédiments (coquilles, voir photos ci-dessous) déposés dans un golfe à l'ère tertiaire, plus précisément au miocène, il y a environ 15 Ma.

La Pierre de jauge, appelée ainsi dans le Bassin du Quiou (22) - St Juvat - Tréfumel, est constituée des éléments les plus durs des faluns (falun induré). Cette pierre est utilisée comme matériau de gros œuvre pour la construction, donnant naissance à de nombreux bâtiments.

Un deuxième type de troglodytes, moins connus, mérite attention. Située en retrait du lit de la Loire (sud de Saumur), issue d'amoncellement de coquillages et débris marins formé au tertiaire, la roche (falun) a, jusqu'au début du 20e siècle, véritablement servi d'habitat principal aux paysans. Moins " visiblement touristiques ", à la fois insolites et souvent impressionnants, ces sites troglodytiques de plaines, appelés également " caves demeurantes " se rencontrent près de Doué-la-Fontaine. Le zoo de Doué-La-Fontaine est installé dans d'anciennes carrières de faluns. Le château de Brézé en est un autre exemple digne de visite ! On trouve de ces dépôts dans toute la Touraine.

L'habitat troglodyte était assez fréquent et on en trouve partout, en France : Picardie, vallée de la Seine, Touraine donc, Anjou, Auvergne, Charentes, Dordogne, Lot, Corrèze, Périgord, vallée du Rhône, Provence et dans le monde : Afrique (Ethyopie) Asie (Chine et Inde en particulier) Amérique du Nord (Arizona et Colorado par ex.) et bien sur dans d'autres pays d'Europe….

Quelques fossiles des Faluns :

A gauche : Anadara turonica (Channay-sur-Lathan-17) à droite :Trivia (Paulmy 17)

Bryozoaires (St Laurent-de-Lin 17)

Extension de la mer des Faluns dans l'ouest de la France (Miocène, 15 à 9 Ma) :

Mer des Faluns

Pour la pierre, surtout si elle est fragile, le passage de la carrière à sa position sur le bâtiment l'amène dans une situation tout à fait nouvelle pour elle avec :

• les décompressions lors de l'extraction et du passage à la surface;

• les compressions axiales (murs et piliers);

• les charges agissant en flexion (linteaux);

• les charges agissant en cisaillement (corbeaux);

• les contraintes de rotation (saillies);

• les effets de traction, beaucoup plus rarement;

• les chocs de voisinage, souvent dus au public;

• l'action des variations de température et du gel;

• l'action des variations des teneurs en eau du matériau;

• l'action de la lumière (soleil ; lune ; lumière artificielle);

• le contact de l'atmosphère et des produits qu'elle contient;

• le passage à une situation d'interface biologique.

Les résultats (plus ou moins catastrophiques !) sont les suivants :

• fissuration ou rupture lors de contraintes excessives ;
• éclatement par dilatation lors du gel;

• éclatement par dilatation "chimique" provoquée par exemple par l'oxydation du fer ;
• action physico-chimique : gonflement de certains phyllosilicates ;

• éclatement par précipitation;

• cristallisation ou hydratation de sels;

• création de zones de pénétration des éléments fluides et divers produits provenant de l'extérieur;

• variation de la capillarité;

• développement de la photosynthèse autorisant la croissance biologique.

Mais on utilise aussi beaucoup le calcaire broyé…

Estimati