Gypse (roche)

Le gypse dénommé aussi gypsite est une roche saline commune des bassins sédimentaires soumis à subsidences, elle est composée principalement du minéral gypse, minéral salin très commun des séries sédimentaires, le sulfate doublement hydraté de calcium. Ce dernier est à la fois une espèce chimique et une espèce minérale, décrite par la formule de formule CaSO₄ · 2 H₂O. Le gypse est la roche qui permet de fabriquer industriellement le plâtre.

Il faut se méfier de la catégorisation facile de roche sédimentaire évaporitique puisque le processus d'évaporation qui n'est le plus souvent qu'une première étape ne décrit qu'un aspect des diverses paragénèses à l'origine de la roche gypseuse. La roche est parfois quasiment pure, mais elle peut être accompagnée par des impuretés minérales comme l'anhydrite, l'argile, la silice... Il existe aussi des filons miniers remarquables. La mine Maravilla dans l'état mexicain désertique du Chihuahua possède des cavités à cristaux métriques épargnés, les géants dépassant 10 mètres.

Sommaire 1 Propriétés physique et chimique du gypse 2 Gîtologie 2.1 Modélisation par séquence évaporatoire et diagenèse : du simple au complexe 2.2 Minéraux associés 2.3 Altération 2.4 Reconstitution de l'espace lagunaire parisien 3 Bancs gypseux, orogenèse et tectonique 4 Principaux gisements terrestres 5 Utilisation 6 Résidu gypseux 7 Galerie 8 Bibliographie 9 Notes et références 10 Annexes 10.1 Articles connexes

Propriétés physique et chimique du gypse

Le gypse est une roche tendre de masse spécifique entre 2,2 à 2,4 selon le degré d'impuretés : elle est entièrement cristallisée lorsqu'elle est suffisamment pure. L'indice de dureté Mohs des grands cristaux, tel le fer de lance, est situé entre 2 et 3, mais la plupart des gypses ont un indice entre 1,5 et 2. Elle se laisse facilement rayer à l'ongle, ce qui permet de l'identifier en la distinguant des calcaires.

Selon la nature et l'agencement des cristaux, le gypse a pu être dénommé compact, lamellaire, fibreux, terreux ou saccharoïde. L'albâtre, la rose des sables à noyaux de grains de quartz et le gypse mica sont considérés comme des variétés de la roche.

Sa cassure conchoïdale et irrégulière rappelle parfois la texture du sucre cristallisé en pain, en latin saccharum : c'est la variété commune de gypse saccharoïde. Sa cristallisation s'est effectuée en masse grenue de façon grossière, visible à l'oeil. Mais elle peut être en masse composée de particules très fines, uniquement visible au microscope, c'est la variété recherchée de l'albâtre utilisée pour la sculpture ou le moulage d'objets précis. Souvent, la porosité du matériau permet une teinte dans la masse.

Les cristaux présentent aussi parfois l'aspect de lamelle ou de fibre : le gypse est dit alors lamelleux ou fibreux. Le gypse a une dureté Mohs de l'ordre de 2. La cristallisation en agrégats fibreux, avec des cristaux allongés et(ou) enchevêtrés lui confère un aspect particulier anciennement appelé spath satiné^[1].

Signalons enfin la grande facilité du gypse à former des mâcles, ce qui explique les propriétés mécaniques de la roche, par l'enchevêtrement des cristaux ainsi pontés. L'existence de plans interfoliaires formés par les tétraèdres SO₄, la souplesse des fines lames cristallines, facilement découpables au couteau, donc amovibles, expliquent la plasticité des puissantes formations gypseuses et leur aisance à se déplacer ou se mouvoir sous les contraintes tectoniques ou les pressions d'enfouissement.

La roche gypseuse est blanche ou jaunâtre. Au microscope, les cristaux présentent des formes et des couleurs variées.

Leurs éclats est vitreux à soyeux pour les variétés fibreuses, nacrés sur le plan du clivage si le cristal est suffisamment grand.

Le gypse est soluble dans l'eau pure. Il se dissout très lentement. Un litre d'eau dissout 2,5 g de gypse. La solution obtenue, autrefois appelée eau séléniteuse, est impropre à la cuisson des aliments et au savonnage du linge. Un savon liquide agité dans une eau séléniteuse forme immédiatement de grumeaux grossiers.

Les suspensions aqueuses épaisses de fines poudres de gypse (granulomètrie entre 1 à 10 μm, proportion pulvérulente de 42 % en masse dans l'eau) ont la particularité d'être des fluides rhéopectiques, c'est-à-dire dont la viscosité augmente avec le cisaillement.

La roche gypseuse ne fait pas effervescence avec les acides. L'eau chargé de gaz carbonique est sans action sur la roche. Elle est soluble à chaud dans l'acide chlohydrique dilué. L'addition d'une solution de dichlorure de baryum à une eau séléniteuse entraine un précipité blanc de sulfate de baryum. Chauffé, ce sel cristallisé montre une fluorescence vert-jaune ainsi qu'une phosphorescence à la lumière ultra-violette. C'est une technique d'identification des feuillets d'ions sulfates reconstitués.

Sous l'action de la chaleur, il se transforme en plâtre. Des lamelles de gypse chauffée légèrement à 40°C dans un tube à essai blanchissent, puis s'effrittent et tombent en poudre. La matière qui se dégage du tube est simplement de la vapeur d'eau rapidement condensé en buée - eau liquide sur les parois plus fraîches - ou bien en brouillard ou micro-gouttelettes en suspension dans l'air. Par une réaction chimique légèrement exothermique, le sulfate de calcium doublement hydraté perd la majorité de son eau de structure et se transforme en hémihydrate ou bassanite.

La fabrication industrielle de plâtre est réalisée, dans des fours spéciaux à moins de 200°C à charge unique ou batch pendant un temps court ou au niveau industriel, dans un séchoir pneumatique, un four cylindrique mécanique tournant ou rotatif en procédé continu pendant une heure à 70-80°C. C'est le plâtre d'hémihydrate β, solide microporeux qui est obtenu : après réhydratation, il donne un plâtre à faible résistance mécanique en compression (10 MPa). Le plâtre d'hémihydrate α est une variété microcristallisée obtenue par traitement autoclave : il fournit de meilleures résistances à la compression, supérieure à 30 MPa.

En réalité, le plâtre est un mélange sophistiqué de différents produits qui, selon les divers procédés, utilisent les leviers des réactions chimiques de deshydratation réversibles ou irréversibles : température; durée, hygrométrie. IL comporte aussi des sulfates de calcium anhydre de diverses natures. La variété β s'obtient par une réaction de déshydratation du gypse réversible au delà de 150 °C. Ce sulfate de calcium anhydre β est un déshydratant puissant, soluble dans l'eau. Chauffé au delà de 300°C, par exemple à 400°C pendant une heure, le gypse perd de façon irréversible l'eau interfoliaire : il donne le sulfate de calcium anhydre α ou anhydrite α, non hydratable, qui est une forme stable des sulfates naturels jusqu'à 1400 °C. Mais certains activateurs chimiques peuvent le rendre à nouveau hydratable.

Gâché avec de l'eau, le plâtre forme une pâte épaisse qui durcit rapidement en augmentant de volume : le plâtre fait prise. Il se réhydrate à la fois facilement et lentement en présence d'eau. L'eau permet au niveau microscopique la solidification des feuillets tétraèdriques et assure la cohésion des enduits au niveau macroscopique.

Au microscope optique, la masse obtenue, constituée d'agrégats de petits cristaux enchevêtrés, apparaît comme une sorte de gypse reconstitué. Le plâtre est utilisé par les maçons pour faire des enduits de surface et des scellements, mais aussi par les sculpteurs pour faire des moulages, par les médecins pour réaliser des gaines rigides destinées à immobiliser les fractures osseuses, par les enquêteurs scientifiques pour garder des empreintes... Cette matière entre dans la fabrication de stuc, des diverses imitations de marbre et de "craie" ronde.

Dans l'industrie cimentière, le gypse est mélangé avec certains clinkers pour obtenir le ciment commercialisable. Il joue le rôle de régulateur de prise en masse. En particulier, il réagit avec le composant le plus réactif, l'aluminate tricalcique et l'eau, pour former de fin cristaux d'ettringite. Ce dernier composé stable retarde la prise en masse jusqu'à l'utilisation.

Gîtologie

Une roche soluble et cristallisée résulte d'une étape liminaire, l'évaporation d'une solution dans un milieu lagunaire sursalée si on exclut a priori un dépôt en phase vapeur en condition volcanique, les filons hydrothermaux, une oxydation de sulfure métallique commun comme la pyrite. Dans ce cadre, le sulfate naturel gypse apparu dans les mers peu profondes, les lagunes et les lacs salés des dépressions endoréiques est un minéral des séries évaporitiques. Mais la roche connaît ensuite une genèse et une histoire complexe.

L'eau de mer, par exemple, contient toujours des ions, susceptibles de former du sulfate de calcium, environ 1,5 kg/m³ dissous. Dans les marais salants, ce dépôt intervient entre la précoce précipitation des carbonates de calcium, calcite ou aragonite et la précipitation progressive de la halite ou sel gemme NaCl. La séquence évaporitique se clôt avec la formation des sels magnésiens et potassiques, par exemple la carnallite ou la sylvinite.

Modélisation par séquence évaporatoire et diagenèse : du simple au complexe

Reprenons une distinction arbitraire entre les roches à minéraux primaires et secondaires^[2].

• Minéraux primaires

Le premier mécanisme de genèse du gypse est chimique : il fait intervenir la précipitation du sulfate de calcium CaSO₄ en solution par évaporation d'eau sursalée. Il peut cristalliser à la fois sous forme hydratée (gypse - CaSO₄,2H₂O) ou exceptionnellement ensuite anhydre (anhydrite - CaSO₄). À faible température et faible concentration saline, le gypse est le premier à se former. L'anhydrite se forme à plus haute température. Lorsque la salinité augmente, l'anhydrite se forme plus facilement et remplace le gypse.

• Minéraux secondaires

La transformation diagenétique du gypse en anhydrite se fait par apport de chaleur, perte de l'eau et accroissement de pression sous les sédiments. La déshydratation du gypse peut être incomplète ou réversible, il y a alors formation d'hémihydrate ou plâtre naturel ou d'anhydrite β soluble. Lorsque les phases cristallines sèches sont réhydratées, il y a une nouvelle cristallisation de gypse, en fines aiguilles entrelacées ou parfois en fers de lance.

Ce modèle de séquence évaporitique suivie d'une diagenèse, relativement simpliste s'appuie essentiellement sur les observations communes des marais salants ou des lagunes sursalées. Mais il ne prend pas en compte les sels complexes, au minimum une vingtaine, qui existent dans la nature et peuvent se former au cours du processus. D'autre part, les milieux lagunaires naturels ne sont pas ni totalement arides ni obligatoirement secs et chauds. En témoignent les trois mammifères reconstitués par Georges Cuvier à partir d'ossements fossiles des couches supérieures du gypse de Montmartre  : le paléothérium, l'anaplothérium, le xiphodon. Il existe une fluctuation incessante au cours des saisons ou des années, des décennies ou des siècles des apports d'eau : eau de mer, eau des affluents tributaires des zones continentales proches, pluie ou même neige. Une période plus ou moins brèves de régression marine permet l'exposition au soleil du milieu lagunaire. Une période de transgression marine alimente la lagune : la couche saline s'accroît.

Même après le piégeage sous des sédiments, après une reprise de la subsidence et de l'érosion des bords du bassin, la roche en formation contient de l'eau sous forme de solutions sursalées qui peuvent ou bien nettoyer la roche naissante de ses composants plus solubles, avec l'influence déterminante de pression et de température inconnues en surface ou bien être évacuer plus ou moins brutalement par des brèches ou des fissures poreuses à certains stades de la paragenèse. On comprend alors l'emploi spécialisé de métamorphismes salins pour qualifier les évolutions vers les compositions chimiques fixes de la roche.

Minéraux associés

• Halite, précipitation suivante dans la séquence évaporitique.
• Carbonates, précipitations précédentes dans la séquence évaporitique.

Altération

L'anhydrite α soluble, roche grise à rougeâtre qui se raie à l'ongle, s'altère facilement au contact de l'air, ainsi on n'observe cette roche perfide que rarement en affleurement. Hydratations et déshydratations successives conduisent respectivement à des augmentations ou diminutions du volume, provoquant une perte de cohésion de la roche.

Reconstitution de l'espace lagunaire parisien

Les strates géologiques de la butte Montmartre témoignent d'un monde lagunaire du Ludien disparu. Les terrains gypseux, épais d'une cinquantaine de mètres, reposent sur des marnes dites infragypseuses, caractérisées par une faune d'oursins et de mollusques marins, à la base du mont. La masse gypseuse divisée par deux minces lits marneux intercalaires à coquilles marines est recouverte par une couche marneuse, dites supragypseuse aux fossiles d'eaux saumâtres, lacustres ou franchement marins. Cette épaisse couche marneuse imperméable, elle-même surmontée au sommet de la butte par les sables de Fontainebleau du Stampien, a permis de protéger de l'altération des eaux le gypse, roche soluble. Les affleurements caractéristiques sont d'ailleurs limités au talus dont le rebord est marneux.

Outre la masse supérieure gypseuse qui, évoquée plus haut, a permis la naissance d'une science, la paléontologie, les couches inférieures et moyennes ont fourni des débris de tortues et de crocodiles. L'histoire géologique peut être esquissée en trois phases :

• Après le dépôts des marnes inférieures, la mer parisienne se retire en abandonnant une étendue à la fois localement plate et formant une immense cuvette. Cette morphologie permet de limiter les échanges avec la mer libre et de former ainsi des conditions lagunaires. Le tapis argileux ou marneux retient les eaux salées en surface.
• Les oscillations marines influencent plus le remplissage que la vidange de la vaste cuvette par l'eau de mer. L'évaporation favorisée par un climat chaud donne les premiers épais dépôts salins. A deux reprises, la communication avec le flux marin est rétablie comme l'attestent les lits marneux intercalaires à faune marine. Mais le système lagunaire fonctionne à nouveau. L'espace ouvert, facilement accessible aux animaux terrestres, offre des pâturages secs mais recelle aussi des pièges humides qui expliquent l'enlisement de lourds mammifères.
• Une dernières transgression marine, après quelques oscillations indécises, submergent la roche saline et dépose une dernière couche marneuse protectrice. La mer et plus tard, les eaux dans la roche en formation, ont lessivé le sel marin.

Bancs gypseux, orogenèse et tectonique

La fermeture d'une mer ou d'un océan peut donner suite à une élévation de relief et parfois à la formation d'une vraie montagne ou orogenèse. Le gypse, roche saline sédimentaire tendre, déformable et légère par sa structure cristalline, confère aux couches épaisses qu'elle constitue des caractéristiques plastiques et mécaniques singulières. Dans le cas d'une orogenèse basée sur une tectonique induisant des poussées tangentielles, les bancs gypseux se comportent comme de véritables couches savonneuses qui permettent le glissement de gigantesques formations rocheuses sus-jacentes vers des positions allochtones. Il n'est pas rare de trouver des lits gypseux en semelle de chevauchement ou de nappes de charriage.

Soumis à d'autres contraintes, par exemple de pressions d'étranglement ou de compression, les bancs de gypse forment sur la longue durée des dômes, des diapirs, des ondulations ou des retournements dignes des bicouches savonneuses. Cette capacité des formations gypseuses à enregistrer, puis garder en mémoire les influences tectoniques dans un bassin est largement utilisé par les géologues en quête de matière première.

Principaux gisements terrestres

Les gisements sédimentaires sont nombreux, communs et abondants. Les pays qui disposent dans leur sous-sol de vastes gisements sont : l'Allemagne, le Chili, les États-Unis, la Grande-Bretagne, l'Italie notamment en Toscane et en Sicile, le Mexique, la Pologne, la Russie.

En France, il existe de nombreux sites exploités, exploitables ou connus, en plus des filons miniers. Citons les :

• assises du bassin parisien : les carrières de Montmartre comptent parmi les premières exploitations connues, renommées mondialement pour la transformation en plâtre de Paris ou plaster of Paris au XVIII^e siècle. Les cristaux y sont en masse jaunâtre ou jaune-brun et autrefois nommés grignards, ils contiennent parfois des minéraux limpides et décimétriques lorsqu'ils sont maclés en fer de lance et surtout en pied d'alouette. Il existe aussi de nombreuses mines souterraines abandonnées aux environs de Cormeilles-en-Parisis en Val-d'Oise et Triel-sur-Seine en Yvelines.
• bancs triasiques du Massif Central
• séries d'âge Keuper des Vosges ou d'Alsace
• assises jurassiques des Hautes-Alpes et du Jura
• marges du bassin aquitain avec les bancs d'Orthez.

Enfin, les filons réputés de gypse se récoltent dans les filons métallifères, notamment de la mine carbonifère de La Mure en Isère et du gisement de Caresse en Pyrénées Atlantiques.

Utilisation

Le gypse est une roche tendre facile à extraire et à tailler.

• Les variétés les plus dures pour lesquelles on peut avoir un beau poli, sont nommées albâtre (albatre gypseux) et employés en sculpture.
• Le gypse est employé dans la fabrication de plâtre, de stuc, de ciment.
• Matériaux de construction

Le terme mura di selenite est aussi utilisé dans la région de Bologne pour désigner une roche extraite du sous-sol de la ville et des collines environnantes ; elle fut entre autres utilisée pour la construction des premières fortifications de la ville^[3], aujourd'hui disparues, et pour le soubassement des Tours de Bologne. Il s'agit d'un gypse saccharoïde très induré, à grains jointifs et plus gros que l'albâtre de Toscane qui en est proche. Cette roche facilement taillée a été très utilisée localement jusqu'à une période proche et prend une patine grise, iridescente au soleil. Elle n'est plus utilisée aujourd'hui qu'en sculpture d'ornementation ou en poudre colorée pour la marqueterie de pierre et la restauration de ce type de meuble, ou encore pour des objets d'ameublement.

Le gypse est aussi utilisé comme charge de remplissage ou filler de diverses microgranulométrie dans certains matériaux composites. Avec les carbonates de calcium ou autres carbonates, il est employé dans l'industrie des engrais ammmonitrates comme charge secondaire pour stabiliser le nitrate d'ammonium.

Le gypse est une matière première avec les gaz dioxyde de carbone et ammoniac, d'un procédé industriel de fabrication de sulfate d'ammonium :

• CaSO₄·2 H₂O (s)+ CO₂ (g) + 2 NH₃ (g) → (NH₄)₂SO₄ (s) + CaCO₃ (s)

Résidu gypseux

Du phosphogypse ou gypse impur contenant divers fluorophosphates de calcium, de fer ou d'aluminium est le sous-produit de la fabrication de l'acide orthophosphorique H₃PO₄. Le procédé phosphogypse par voie humide part de l'attaque du phosphate tricalcique par l'acide sulfurique à chaud.

La réaction idéale si le phosphate tricalcique était pur serait :

• Ca₃(PO₄)₂ (s) + 3 H₂SO₄ (aq) + 6 H₂O → 3 CaSO₄·2 H₂O (s) + 2 H₃PO₄ (aq).

Galerie

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  Morceau d'albatre gypseux de l'Arkansas
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  Tête d'orant barbu en albâtre gypseux. Temple d'Ishtar à Mari, v. 2500–2400 BC.
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  Vitraux d'albatre de la cathédrale de Valence Espagne
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  travail de l'albatre gypseux à Volterra, Toscane

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Bibliographie

• Fiche sur le gypse, par Yves Gautier, rédacteur en chef de "La Science au présent".
• Alain Foucault, Présentation et cours au muséum d'histoire naturelle, Paris.
• Série découverte géologique, collection Jean Ricour du BRGM, années 1987-1988.

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Albâtre
• Gypse
• Anhydrite
• Plâtre
• Bassanite

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