Toute chose sur terre est composée par un ensemble de particules élémentaires, les atomes. Il existe une centaine d'atomes classés dans la classification périodique des éléments de Mendeleïev. Le plus simple est l'atome d'hydrogène avec un proton et un électron.

Les minéraux peuvent être composés par un seul type d'atome, par exemple l'or n'est composé que d'atomes d'or (Au), ou par plusieurs types d'atomes.

Par exemple, le quartz (SiO2) comprend un atome de silicium (Si) et deux atomes d'oxygène (O), la calcite (CaCO3) un atome de calcium (Ca) rattaché à un groupement carbonate (CO3) lui même composé d'un atome de carbone (C) et de trois atomes d'oxygène (O).

Les minéraux se forment donc par l'association d'atomes qui s'assemblent entre eux suivant les lois de la chimie et s'organisent dans l'espace suivant les lois de la physique. L'état cristallin est caractérisé par un arrangement ordonné de la matière : un cristal sera donc formé par la répétition périodique dans l'espace d'un atome ou d'un groupe d'atome. Il existe sept formes (on parle de systèmes cristallins) de base : le système cubique, hexagonal, orthorhombique,...

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Seules des conditions particulières permettent aux atomes qui composent la matière de s'arranger dans l'espace au niveau atomique. Ces conditions provoquent la cristallisation de la matière qui devient alors une substance minérale.

Celle-ci prend des formes géométriques (les 7 systèmes) qui peuvent être différentes de celles que perçoit l'homme en regardant un minéral (cubes, pointes, arborescences, aiguilles, ...).

Un exemple : si on dilue du sel (NaCl, un atome de sodium et un atome de chlore) dans de l'eau et que l'on fait évaporer lentement la solution dans un verre, on observera des cristaux cubiques de sel sur ses bords.

Si on fait évaporer rapidement l'eau, en chauffant la solution par exemple, les atomes n'auront pas le temps de s'organiser et l'on obtiendra du sel amorphe (non cristallisé).

Dans la nature, il existe de nombreux types de phénomènes aboutissant à la formation de cristaux.

Par exemple, dans les Alpes, dans la zone granitique, les cristaux ont été formés par ce qu'on appelle des fluides hydrothermaux. Lorsque les terrains actuellement en surface étaient à plusieurs kilomètres sous terre, une dizaine environ, il y a 20 millions d'années, les fissures parcourant ce granite ont été remplies par des solutions d'eau. Celle-ci provient soit de la surface, soit de sédiments environnants dont l'eau a remonté au contact du magma.

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Ces solutions d'eau saturées d'éléments dissous se trouvent à plusieurs centaines de degrés (200 à 400° Celsius) et encore liquide à cause de la pression régnant, 2000 à 3000 fois celle de surface qui est de un bar. Ces solutions ont refroidi très, très lentement, à une moyenne de 1° sur 40000 ans par exemple, et/ou ont subi des baisses de pression progressives, les éléments contenus en solution se sont trouvés en saturation et ils se sont alors cristallisés sur les parois petit à petit.

La couleur des minéraux est, comme celle de toutes choses, relative. Elle dépend de l'oeil humain. L'homme ne perçoit qu'une partie de la lumière soit, en gros, sept couleurs principales, celles de l'arc en ciel.

La couleur d'un objet dépend des couleurs qu'il absorbe et de celles qu'il renvoie. Un objet qui renvoie toutes les couleurs est blanc, un autre qui les absorbe toutes est noir. Un minéral qui absorbe toutes les couleurs sauf le rouge parétra rouge. Les béryls sont une famille de minéraux : s'il y a du chrome, le béryl sera vert et c'est alors une émeraude ; s'il y a du fer, le béryl est bleu et c'est une aigue-marine,...

La couleur dépend donc de la composition chimique du minéral.

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