Chaque tétraèdre des nésosilicates est indépendant et relié aux tétraèdres voisins uniquement par l'intermédiaire de cations métalliques occupant les interstices du réseau cristallin. Cette architecture confère à ces minéraux des propriétés physiques, chimiques et structurales spécifiques qui expliquent leur abondance dans les roches magmatiques et métamorphiques ainsi que leur importance en minéralogie, en pétrologie et en géochimie. La formule idéale du groupe tétraédrique est silice (SiO4)^4−, ce qui implique une charge négative élevée nécessitant une compensation par des cations tels que le magnésium, le fer, le calcium, le manganèse, l'aluminium, le zirconium ou encore le titane. Le rapport atomique Si/O est donc de 1/4, le plus faible parmi toutes les classes de silicates. 

Les applications économiques des nésosilicates sont nombreuses. Les grenats sont utilisés comme abrasifs industriels, dans les papiers abrasifs et pour la découpe au jet d'eau. Les olivines servent de matériaux réfractaires, de fondants métallurgiques et parfois de matières premières pour le stockage minéral du dioxyde de carbone. Les zircons sont employés dans les céramiques techniques, les matériaux réfractaires, les moules de fonderie et comme source de zirconium destiné à l'industrie nucléaire. La topaze, les grenats gemmes, certains zircons transparents et quelques variétés d'andalousite constituent des pierres précieuses très recherchées.

La cohésion des structures des nésosilicates repose essentiellement sur les liaisons ioniques entre les groupes silicatés et les cations métalliques, auxquelles s'ajoutent les liaisons covalentes très fortes Si–O à l'intérieur de chaque tétraèdre. Les liaisons Si–O figurent parmi les plus énergétiques de la minéralogie, avec des longueurs voisines de 1,61 Å et des énergies de liaison particulièrement élevées. Cette robustesse explique la grande stabilité chimique de nombreux nésosilicates, même lorsqu'ils sont soumis à des températures et des pressions importantes.

La composition chimique des nésosilicates est extrêmement diversifiée. Les cations compensateurs peuvent occuper plusieurs sites cristallographiques différents et se substituer les uns aux autres selon des séries isomorphes. Les substitutions Mg²⁺–Fe²⁺ sont particulièrement fréquentes et contrôlent les variations de densité, de couleur, d'indice de réfraction et de stabilité thermodynamique. Les substitutions impliquant Fe³⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, Cr³⁺, V³⁺ ou Ti⁴⁺ contribuent également à la richesse chimique de cette famille.

Les olivines représentent probablement les nésosilicates les plus abondants de la croûte et surtout du manteau supérieur terrestres. Leur formule générale est (Mg,Fe)2SiO4. Elles forment une série continue entre la forstérite (Mg2SiO4) et la fayalite (Fe2SiO4). Les olivines constituent le principal constituant des péridotites mantelliques et sont omniprésentes dans les basaltes, les gabbros et diverses roches ultramafiques. Leur température de fusion élevée, leur faible viscosité lorsqu'elles fondent et leur stabilité dans le manteau expliquent leur rôle fondamental dans les processus de convection mantellique et de fusion partielle à l'origine des magmas basaltiques.

Les grenats forment un autre groupe majeur de nésosilicates. Leur formule générale peut s'écrire X3Y2 (SiO4)3, où les sites X accueillent généralement Ca, Mg, Fe²⁺ ou Mn²⁺ tandis que les sites Y sont occupés par Al, Fe³⁺ ou Cr³⁺. Les principales espèces comprennent le pyrope, l'almandin, le spessartine, le grossulaire, l'andradite et l'uvarovite. Les grenats présentent une structure cubique très compacte, une dureté élevée comprise entre 6,5 et 7,5 sur l'échelle de Mohs et une remarquable stabilité mécanique. Ils sont largement utilisés comme indicateurs des conditions de pression et de température dans les roches métamorphiques profondes et comme minéraux abrasifs.

Le zircon (ZrSiO4) constitue un nésosilicate d'une importance exceptionnelle en géologie. Sa très grande résistance chimique et mécanique lui permet de survivre à plusieurs cycles d'érosion, de transport et de sédimentation. Les cristaux de zircon incorporent naturellement de faibles quantités d'uranium mais pratiquement pas de plomb lors de leur cristallisation. Cette propriété fait du système isotopique uranium-plomb l'un des chronomètres géologiques les plus fiables. Les plus anciens minéraux terrestres connus sont des zircons âgés d'environ 4,4 milliards d'années provenant des Jack Hills en Australie, qui fournissent des informations précieuses sur les premiers stades de l'évolution de la croûte terrestre.

Les polymorphes de l'aluminosilicate Al2SiO5, à savoir l'andalousite, la disthène (ou cyanite) et la sillimanite, appartiennent également aux nésosilicates. Ces trois minéraux possèdent la même composition chimique mais des structures cristallines différentes, chacune étant stable dans un domaine particulier de pression et de température. Leur présence constitue un outil essentiel de la pétrologie métamorphique pour reconstituer les trajectoires pression-température des roches ayant subi un métamorphisme régional ou de contact.

Le groupe des humites comprend plusieurs nésosilicates fluorés riches en magnésium, notamment la norbergite, la chondrodite, la humite et la clinohumite. Ces minéraux jouent un rôle important dans le stockage du fluor et de l'hydrogène dans le manteau supérieur et sont étudiés pour leur influence sur les propriétés rhéologiques des roches mantelliques. La topaze, de formule Al2SiO4(F,OH)2, est également classée parmi les nésosilicates. Elle cristallise dans le système orthorhombique et possède une dureté de 8 sur l'échelle de Mohs, ce qui en fait l'un des minéraux gemmes les plus résistants aux rayures. Elle se forme principalement dans les pegmatites granitiques, les filons hydrothermaux riches en fluor et certaines cavités volcaniques.

La staurotide est un autre nésosilicate caractéristique des schistes métamorphiques de degré moyen. Sa formule est complexe en raison des nombreuses substitutions chimiques possibles, mais elle demeure un excellent indicateur du métamorphisme régional. Ses macles cruciformes naturelles lui ont valu une place particulière dans les traditions populaires de plusieurs régions d'Europe.

Les minéraux du groupe de la vésuvianite possèdent également une structure fondée sur des tétraèdres isolés associés à une architecture cristalline plus complexe. Ils apparaissent principalement dans les skarns, c'est-à-dire les roches métasomatiques formées au contact entre des intrusions magmatiques et des calcaires.

Les nésosilicates présentent une très grande variété de systèmes cristallins. Les olivines sont orthorhombiques, les grenats cubiques, le zircon tétragonal, la topaze orthorhombique, les polymorphes d'Al2SiO5 pouvant être orthorhombiques ou triclinques selon les espèces. Cette diversité résulte des différents arrangements possibles des cations autour des tétraèdres isolés.

Leurs propriétés physiques sont extrêmement variables, bien que plusieurs tendances générales puissent être dégagées. La dureté est souvent élevée grâce aux liaisons Si–O très résistantes. Les densités couvrent un large domaine, allant d'environ 3,2 pour les olivines magnésiennes jusqu'à plus de 4,7 pour certains zircons riches en hafnium ou certaines andradites ferrifères. Les couleurs sont également très diverses : vert olive pour les olivines, rouge, brun, vert ou noir pour les grenats, bleu pour certains cristaux de cyanite, rose ou incolore pour la topaze, brun pour la staurotide, brun rougeâtre pour le zircon métamicte.

Les propriétés optiques reflètent la richesse chimique de ces minéraux. Beaucoup présentent un relief élevé en lame mince, une forte biréfringence et des indices de réfraction importants. Les grenats, appartenant au système cubique, sont isotropes en lumière polarisée croisée, tandis que les olivines montrent une biréfringence élevée et des couleurs d'interférence caractéristiques permettant leur identification au microscope polarisant.

Du point de vue thermodynamique, les nésosilicates couvrent des domaines de stabilité très variés. Les olivines dominent les conditions mantelliques relativement pauvres en silice, alors que les polymorphes Al2SiO5 enregistrent principalement les transformations métamorphiques de la croûte continentale. Les grenats deviennent progressivement plus abondants avec l'augmentation de la pression et constituent un composant majeur des éclogites et de nombreuses roches du manteau profond.

Les réactions métamorphiques impliquant les nésosilicates jouent un rôle fondamental dans l'évolution des roches. La transformation de l'andalousite en sillimanite ou en cyanite constitue un exemple classique de transition polymorphique contrôlée par les conditions pression-température. De même, la croissance des grenats durant le métamorphisme régional permet d'enregistrer une succession de compositions chimiques reflétant les différentes étapes de l'évolution thermique des roches.

Dans les processus magmatiques, les olivines cristallisent parmi les premiers minéraux selon la série réactionnelle discontinue de Bowen. Leur cristallisation précoce retire préférentiellement le magnésium et le fer des liquides magmatiques, contribuant à l'évolution chimique des magmas vers des compositions plus riches en silice. La présence d'olivines automorphes ou corrodées fournit ainsi des informations précieuses sur l'histoire de cristallisation et de mélange des magmas.

Les nésosilicates interviennent également dans l'altération chimique des roches. Les olivines figurent parmi les silicates les plus rapidement altérés en surface. Elles se transforment en serpentine, en iddingsite, en talc ou en oxydes de fer selon les conditions physicochimiques. Cette altération consomme du dioxyde de carbone atmosphérique lors de certaines réactions de carbonatation naturelle, ce qui suscite un intérêt croissant pour les stratégies de séquestration géologique du carbone.

Dans le manteau terrestre, les olivines subissent plusieurs transitions de phase sous l'effet de l'augmentation de la pression. L'olivine se transforme successivement en wadsleyite vers 410 km de profondeur, puis en ringwoodite vers 520 km, avant de se dissocier vers 660 km en bridgmanite et magnésiowüstite. Ces transformations minéralogiques sont responsables des principales discontinuités sismiques du manteau terrestre et influencent profondément la dynamique de la convection mantellique.

Les nésosilicates ne sont pas limités à la Terre. Les olivines sont abondantes dans les météorites primitives, notamment les chondrites, où elles constituent un constituant majeur des chondres. Elles sont également observées dans les météorites différenciées, les pallasites et les achondrites. Leur composition isotopique renseigne sur les premiers stades de la condensation de la nébuleuse protosolaire et sur les processus de différenciation des petits corps planétaires.

Des olivines ont été identifiées par spectroscopie sur la Lune, sur Mars, sur l'astéroïde Itokawa, sur l'astéroïde Vesta ainsi que sur plusieurs autres astéroïdes de type A et S. Leur présence témoigne généralement de matériaux mantelliques ou de processus magmatiques anciens. Les missions spatiales, notamment Hayabusa, Hayabusa2, Dawn et les différents rovers martiens, ont considérablement enrichi les connaissances sur la distribution des nésosilicates dans le Système solaire.

Les zircons extraterrestres, bien que beaucoup plus rares, constituent des témoins exceptionnels de l'histoire géologique de certains corps planétaires. Des zircons ont été identifiés dans des météorites lunaires et martiennes, permettant d'établir des chronologies absolues des épisodes de cristallisation de leurs croûtes primitives.

Classification des nésosilicates