Près de Naica, dans l’État de Chihuahua, au Mexique, à presque 300 mètres sous le désert, l’air est à 58 °C et à 99 % d’humidité. On y avance lentement, même dans une combinaison réfrigérée. Depuis les parois calcaires d’une salle en fer à cheval, des poutres de gypse limpides comme du verre jaillissent dans toutes les directions, certaines plus longues qu’un autobus urbain. Le plus grand cristal mesuré fait 11,40 mètres de long et pèse environ 12 tonnes. Ce sont des mégacristaux de sélénite, la variété transparente de l’un des minéraux les plus ordinaires de la planète : le sulfate de calcium dihydraté, de formule chimique CaSO4·2H2O. Ce même composé recouvre les cloisons en plaques de plâtre des cuisines de banlieue et forme les dunes blanches du Nouveau-Mexique.
Qu’est-ce que le gypse ?
Le gypse est un minéral mou, un sulfate de calcium hydraté de formule CaSO4·2H2O. Il cristallise dans le système monoclinique, se laisse rayer par l’ongle (dureté 2 sur l’échelle de Mohs) et c’est le sulfate le plus abondant de la couverture sédimentaire de la Terre. Le même nom désigne la roche constituée en grande partie de ce minéral, souvent interstratifiée avec la halite et l’anhydrite dans les séries évaporitiques. Le gypse est le minéral qui définit la dureté 2 de l’échelle de Mohs.
Le mot vient du grec gypsos, terme qui désignait le plâtre cuit que les Grecs tiraient de cette même roche. Le gypse est exploité en carrière à Montmartre, sur la bordure nord de Paris, depuis l’époque romaine. Les couches de Montmartre ont fourni tant de poudre calcinée, commercialisée dans toute l’Europe médiévale, que le matériau a fini par être connu sous le nom de plâtre de Paris, dès la fin du XIVe siècle en anglais (« plaster of Paris »).
Chimie et structure cristalline
La structure du gypse est en feuillets. Des doubles couches d’ions calcium liés à des tétraèdres de sulfate alternent avec des couches de molécules d’eau, toutes empilées perpendiculairement à l’axe cristallographique b. Ces couches d’eau constituent le maillon faible. C’est pourquoi un net feuillet de clivage de sélénite se détache d’un cristal comme une feuille de mica, et pourquoi le clivage {010} est qualifié de « parfait » dans tous les ouvrages de référence.
Les cristallographes Pedersen et Semmingsen ont affiné la structure par diffraction de neutrons en 1982, établissant le groupe d’espace I2/a (une orientation alternative du groupe monoclinique C2/c, n° 15) avec des paramètres de maille a = 5,679 Å, b = 15,202 Å, c = 6,522 Å et β = 118,43°. Une étude de Rietveld menée en 2004 par De la Torre et ses collègues, publiée dans Powder Diffraction, a confirmé ces valeurs avec de faibles marges d’erreur et reste la référence de travail pour la quantification industrielle par rayons X des phases du ciment et du plâtre.
Les deux molécules d’eau du gypse ne sont pas de l’humidité libre. Elles sont liées au réseau cristallin et ne le quittent qu’à température élevée. Chauffé à environ 100–150 °C, le gypse perd à peu près les trois quarts de cette eau et devient de la bassanite (CaSO4·½H2O), l’hémihydrate vendu sous le nom de plâtre de Paris. Au-delà d’environ 200 °C, il se déshydrate entièrement en anhydrite (CaSO4). Si l’on ajoute de nouveau de l’eau, la poudre durcit en quelques minutes à mesure que le réseau du gypse se reconstitue. Cette déshydratation réversible est à la base d’une industrie qui déplace plus de 150 millions de tonnes de roche chaque année.
Fiche technique
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Formule chimique | CaSO4·2H2O |
| Statut IMA | Valide (reconnue par antériorité) |
| Système cristallin | Monoclinique, groupe ponctuel 2/m |
| Groupe d’espace | I2/a (β = 118,43°) |
| Dureté (Mohs) | 2 (point de référence de l’échelle) ; 1,5–2 à la mesure, variable selon la direction |
| Masse volumique | 2,31–2,32 g/cm³ |
| Clivage | {010} parfait ; {100} net ; {011} bon |
| Éclat | Subvitreux ; nacré sur {010} ; soyeux si fibreux |
| Trait | Blanc |
| Couleur | Incolore, blanc, gris ; jaune, rose, brun, rougeâtre si impur |
| Classe optique | Biaxe (+) ; α = 1,521, β = 1,523, γ = 1,530 |
| Solubilité (25 °C, eau pure) | ~2,0–2,5 g/L ; rétrograde à plus haute température |
| Macles | Fréquentes selon {100} (macles en fer de lance et en croix) |
La solubilité du gypse est rétrograde : il devient moins soluble à mesure que l’eau chauffe, à l’inverse de la plupart des sels. Ses minces feuillets de clivage sont en outre flexibles : ils se plient sans reprendre leur forme. Appliqué contre la langue, le gypse a un goût vaguement crayeux, loin de l’amertume de l’epsomite ou de la salinité franche de la halite.
Comment se forme le gypse
Le gypse précipite à partir d’une eau riche en sulfate, à des températures modestes. Le cadre classique est un bassin marin restreint où l’eau de mer s’évapore : le calcium et le sulfate se concentrent, le gypse se dépose, puis la halite lui succède lorsque la saumure devient plus salée encore. Plusieurs autres voies conduisent à ce minéral, et les archives géologiques les contiennent toutes.
Bassins évaporitiques marins
Le cas le plus spectaculaire des archives géologiques est la crise de salinité messinienne, il y a entre 5,97 et 5,33 millions d’années, lorsque le rétrécissement des passages vers l’Atlantique a transformé la Méditerranée en un bassin en partie asséché. Plus d’un million de kilomètres cubes d’évaporites (carbonate, gypse, anhydrite et halite) se sont accumulés sur le plancher marin. Marco Roveri et ses collègues, dans une longue série d’articles culminant avec une synthèse de 2014 parue dans Marine Geology, ont subdivisé ces dépôts en un gypse inférieur primaire (PLG, 5,97–5,60 Ma), déposé dans des sous-bassins peu profonds fermés par des seuils, un gypse inférieur resédimenté (RLG), déversé en eau plus profonde, et un gypse supérieur (UG) qui marque le remplissage progressif. La Vena del Gesso des Apennins du Nord et les gessi de Sicile en sont des exemples classiques, avec des bancs de sélénite épais de plusieurs mètres qui peuvent être corrélés à travers la Méditerranée occidentale.
Savoir si la Méditerranée s’est entièrement asséchée, si une partie du gypse a précipité à partir de saumures peu salées diluées par les fleuves, et si la crise s’est achevée par un déluge zancléen catastrophique sont des questions toujours ouvertes. Une synthèse de 2024 par Andreetto et ses collègues dans Nature Reviews Earth & Environment résume les débats non résolus.
Playas continentales
Le gypse s’accumule aussi dans des bassins continentaux fermés. Le plus grand champ de dunes de gypse du monde, le parc national de White Sands, dans le bassin de Tularosa, au Nouveau-Mexique, couvre 712 km² de grains de sable blanc mouvants, issus de la sélénite cristallisée sur le fond du lac Otero, au Pléistocène supérieur. Des eaux de ruissellement riches en minéraux, issues des monts San Andres et Sacramento, se sont écoulées dans le bassin et s’y sont évaporées ; le vent a brisé les plaques de sélénite ainsi formées en grains et les a poussés dans le sens du vent. Le processus se poursuit aujourd’hui : tous les 10 à 15 ans, les crues du lac Lucero renouvellent le système et font croître de nouveaux cristaux.
Le champ de dunes conserve aussi les plus anciennes empreintes humaines indiscutables des Amériques. Des traces imprimées dans des sédiments de playa riches en gypse, encadrées par des graines de Ruppia cirrhosa, ont fourni des âges radiocarbone calibrés compris entre 21 000 et 23 000 ans : des travaux dirigés par l’U.S. Geological Survey et publiés dans Science en 2021, confirmés par d’autres méthodes de datation en 2023.
Hydratation de l’anhydrite
Une grande partie du gypse exploité pour l’industrie n’a jamais été primaire. Il s’agit d’anhydrite réhydratée par les eaux souterraines à faible profondeur, qui gagne environ 60 % en volume lorsque le réseau incorpore deux molécules d’eau par unité formulaire. Le processus inverse, la déshydratation du gypse en anhydrite lors de l’enfouissement, se produit pendant la diagenèse. Le passage de l’un à l’autre, la fameuse transition gypse–anhydrite, est étudié depuis l’époque de van’t Hoff et reste débattu. L’article de Hardie de 1967 dans American Mineralogist situait l’équilibre à environ 58 °C dans l’eau pure à une atmosphère. Une réévaluation de 2023 par Wolfgang Voigt et Daniela Freyer a ramené cette valeur à 42 ± 1 °C. Cet écart compte, car l’anhydrite est réputée pour nucléer très lentement à partir d’une solution à basse température, et les gisements de terrain enregistrent souvent une limite cinétique, et non thermodynamique. Dans des saumures chlorurées saturées en halite, Hardie a montré que la limite peut descendre à environ 18 °C.
Contextes hydrothermaux et volcaniques
Là où des fluides chauds ascendants rencontrent des roches encaissantes carbonatées en cours de refroidissement, le gypse peut précipiter à température modérée. Naica en est l’exemple célèbre. Sous la mine de Naica se trouve une chambre magmatique, à 3–5 km de profondeur. Une eau chaude chargée de sulfate est remontée, a dissous l’anhydrite du calcaire et est restée stable pendant des centaines de milliers d’années, juste en dessous de la limite de phase gypse–anhydrite. Juan Manuel García-Ruiz et ses collègues, à partir d’inclusions fluides, ont établi dans Geology en 2007 que les cristaux avaient crû à partir d’une solution maintenue à 54,5 ± 2 °C : seulement quelques degrés sous la transition. Alexander Van Driessche et ses collaborateurs ont ensuite mesuré la vitesse de croissance de ces cristaux, d’environ 1,4 × 10−5 nm/s, et proposé que la nucléation passe par des amas amorphes de bassanite plutôt que directement par le gypse, une idée qui reste à confirmer.
Le gypse se forme aussi comme sous-produit de l’attaque de roches carbonatées par l’acide sulfurique, un phénomène courant dans les gisements de sulfures en cours d’oxydation et autour des fumerolles volcaniques, ainsi que sous forme de croûtes efflorescentes dans les sols arides.
Variétés
- Sélénite : cristaux transparents et bien formés, parfois de taille métrique. Son nom vient du grec seléné, la lune, en référence aux surfaces de clivage nacrées.
- Spath satiné : fibreux, à l’éclat soyeux ; se taille et se polit en cabochons.
- Albâtre : variété massive à grain fin, sculptée depuis l’Antiquité, de la Mésopotamie à Nottingham.
- Rose des sables : rosettes de cristaux en lames qui incorporent des grains de sable, se formant dans les milieux arides de type sabkha et playa.
- Macles en fer de lance : macles de contact selon {100} qui forment des paires caractéristiques en V ou en cœur.
- Fleur de gypse : cristaux de spéléothème rayonnants qui poussent sur les parois des grottes.
- Gypse en roche : variété massive stratifiée, principale matière première industrielle en gros volume.
Où trouve-t-on le gypse ?
Le gypse est le sulfate le plus courant sur Terre, et de grands bancs existent sur tous les continents. Parmi les localités qui ont livré des spécimens particulièrement remarquables ou qui sont le socle d’industries régionales, on peut citer les suivantes.
La mine de Naica, dans l’État de Chihuahua (Mexique), avec ses grottes géantes de sélénite. La géode de Pulpí, à Almería (Espagne), une cavité de 8 mètres de long tapissée de cristaux transparents de gypse atteignant 2 m de long, dont García-Ruiz et Van Driessche ont attribué en 2019, dans Geology, l’origine à un lent processus de mûrissement piloté par la température. La Vena del Gesso et le bassin de Caltanissetta, en Sicile, affleurements essentiels du gypse messinien. Le Bassin parisien, où le gypse de Montmartre a donné son nom au plâtre de Paris. Le Nottinghamshire et la Cumbria, au Royaume-Uni, où le gypse permien et triasique est exploité depuis des siècles. Le bassin de l’Èbre, dans le nord-est de l’Espagne. Les playas du sud de l’Australie et la région de Cloncurry, dans le Queensland. Les Great Salt Plains de l’Oklahoma, d’où proviennent les « rose rocks » adoptées comme minéral officiel de l’État. Et les spectaculaires spéléothèmes de gypse de la grotte de Lechuguilla, dans les Carlsbad Caverns du Nouveau-Mexique.
Reste Mars. En 2011, le rover Opportunity de la NASA a analysé, sur le rebord du cratère Endeavour, un filon blanc large comme un pouce que le chercheur principal de la mission, Steve Squyres, a décrit comme la preuve la plus solide trouvée par la mission de la circulation d’eau liquide dans le substratum rocheux martien ; l’équipe a publié la découverte dans Science en 2012 et a identifié le filon comme du gypse ou un sulfate de calcium très proche. Le rover Curiosity de la NASA a ensuite repéré d’abondants filons clairs de sulfate de calcium recoupant les argilites de Yellowknife Bay, dans le cratère Gale. L’équipe de Nicolas Mangold et Marion Nachon, dans un article paru dans JGR Planets en 2014, a montré que ces filons sont en majorité hydratés, et un suivi de 2016 par William Rapin dans Earth and Planetary Science Letters a identifié la phase dominante comme de la bassanite, peut-être l’héritière déshydratée du gypse formé jadis sur une Mars plus humide.
À quoi sert le gypse ?
Chauffez le gypse : il perd son eau. Rajoutez de l’eau : la poudre durcit en quelques minutes. Cette réaction réversible est à la base d’une industrie qui déplace plus de 150 millions de tonnes de roche chaque année. Le plâtre de Paris, les plaques de plâtre (cloisons sèches, placoplâtre) et les plâtres dentaires et orthopédiques reposent tous sur la même hydratation réversible. Selon les Mineral Commodity Summaries de l’U.S. Geological Survey, la production mondiale de gypse brut en 2023 a été d’environ 150 millions de tonnes. Les États-Unis arrivaient en tête avec environ 22 Mt, suivis de l’Iran avec environ 16 Mt, la Chine, la Turquie, l’Espagne et le Mexique figurant aussi parmi les gros producteurs. Début 2023, la capacité de fabrication de plaques de plâtre aux États-Unis atteignait près de 34 milliards de pieds carrés par an.
Environ un tiers de l’approvisionnement en gypse des États-Unis provient désormais de gypse de synthèse, principalement du gypse de désulfuration des gaz de combustion (FGD) récupéré dans les centrales électriques au charbon, qui est chimiquement indiscernable du minéral naturel et sert dans les plaques de plâtre, le ciment et l’agriculture. Au-delà de la construction, le gypse joue le rôle de régulateur de prise dans le ciment Portland (environ 5 % en masse), d’amendement pour les terres agricoles sodiques et argileuses, de source de calcium et de soufre dans les engrais, intervient dans la fabrication du verre et sert d’additif alimentaire E516. La sculpture sur albâtre est plus ancienne que l’histoire écrite.
Comment reconnaître le gypse sur le terrain
- Test de rayure : l’ongle (~2,5 sur l’échelle de Mohs) laisse une marque nette.
- Clivage : on détache de minces feuillets flexibles dans une seule direction ; éclat nacré sur la face clivée.
- Faible densité : paraît nettement plus léger que la calcite ou la barytine de taille comparable.
- Solubilité : lente mais réelle dans l’eau ; les paysages gypseux se creusent en karst au fil de milliers d’années.
- Test à la chaleur (laboratoire) : le chauffage chasse l’eau et laisse une poudre blanche qui refait prise lorsqu’on y ajoute de l’eau.
Ce qui fait encore débat
La température exacte de la transition gypse–anhydrite dans l’eau pure reste un véritable sujet de débat, les valeurs se regroupant entre 42 et 58 °C selon que l’estimation repose sur la calorimétrie, la solubilité ou la modélisation thermodynamique. La cinétique est plus lente que la thermodynamique, et les gisements naturels conservent souvent la phase lente plutôt que celle de l’équilibre. La voie de nucléation du gypse à partir d’une solution, directe ou via des précurseurs amorphes de sulfate de calcium et de bassanite, est un domaine actif de la géochimie. La crise de salinité messinienne divise encore les chercheurs sur la part de la Méditerranée qui s’est asséchée, sur la rapidité du processus et sur la part du gypse qui a précipité à partir d’une saumure fortement diluée, alimentée par les fleuves et par des apports de la Paratéthys. Sur Mars, ce que les filons de sulfates de Curiosity et d’Opportunity nous disent du passé habitable de la planète, et la question de savoir si certains préservent des biosignatures, dépendent d’une chimie qui n’a pas encore été échantillonnée en laboratoire : une question dont hériteront Mars Sample Return et les futures missions d’astrobiologie.
Le minéral qui a bâti les cristaux de Naica est aussi dans le mur derrière votre bureau. Le plus souvent, cela mérite qu’on s’en souvienne.
Questions fréquentes
Le gypse est-il une roche ou un minéral ? Les deux. Le gypse est le minéral CaSO4·2H2O. Le gypse en roche est la roche sédimentaire constituée surtout de ce minéral, généralement accompagné d’un peu d’anhydrite, de halite, d’argile ou de carbonate.
Pourquoi utilise-t-on le gypse dans les plaques de plâtre ? Le gypse se déshydrate lorsqu’on le chauffe et se réhydrate au contact de l’eau, en durcissant en quelques minutes. L’eau liée au réseau cristallin rend aussi les plaques de plâtre résistantes au feu : lors d’un incendie, cette eau absorbe de la chaleur en s’évaporant avant que la paroi elle-même puisse brûler.
Quelle est la différence entre le gypse et l’anhydrite ? L’eau. Le gypse est CaSO4·2H2O ; l’anhydrite est CaSO4, sans eau de constitution. L’anhydrite se forme à plus haute température ou sous enfouissement, et se réhydrate en gypse près de la surface, une transition accompagnée d’une augmentation de volume d’environ 60 %.
Peut-on manipuler le gypse sans danger ? Oui. Le gypse n’est pas toxique, est soluble dans l’eau en petite quantité et figure parmi les additifs alimentaires sous le code E516. La poussière issue de la découpe des plaques de plâtre irrite les voies respiratoires comme toute poussière minérale fine, mais le matériau lui-même compte parmi les minéraux formateurs de roches les plus inoffensifs.
