Les applications industrielles du quartz sont extrêmement nombreuses. Le quartz naturel très pur constitue une matière première essentielle pour la fabrication du verre, des fibres optiques, des céramiques techniques, des réfractaires, des abrasifs et des matériaux de construction. La silice ultrapure est indispensable à la production des creusets destinés à l'élaboration des monocristaux de silicium utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. Les cristaux synthétiques de quartz, produits par croissance hydrothermale contrôlée, alimentent les industries électroniques où leur stabilité fréquentielle est exploitée dans les oscillateurs à quartz des montres, ordinateurs, téléphones, systèmes GPS, équipements de télécommunications et instruments scientifiques. En gemmologie, les différentes variétés de quartz représentent une part importante des pierres ornementales utilisées depuis l'Antiquité. Leur abondance, leur dureté, leur facilité de taille et la diversité de leurs couleurs en font des matériaux privilégiés pour la joaillerie, la sculpture et les objets décoratifs. Certaines variétés, comme l'améthyste ou la citrine, possèdent une valeur commerciale élevée lorsque leur transparence, leur couleur et la qualité de leurs cristaux sont exceptionnelles.

Groupe de cristaux de quartz noir provenant du Brésil et exposé devant le pavillon de minéralogie
du Muséum d'histoire naturelle, à Paris. Sa masse dépasse les 4 tonnes.
© Photo : Serge Jodra, 2009.

La structure cristalline du quartz est remarquablement stable à température et pression ordinaires. Contrairement à de nombreux autres silicates, le quartz ne possède pratiquement aucun plan de clivage préférentiel. Lorsqu'il se fracture, il produit une cassure conchoïdale caractéristique, analogue à celle observée dans le verre. Cette propriété a été largement exploitée dès la Préhistoire pour la fabrication d'outils tranchants.

La dureté du quartz est de 7 sur l'échelle de Mohs, ce qui lui permet de rayer la plupart des autres minéraux courants, hormis les feldspaths les plus durs, les grenats, le corindon et le diamant. Sa densité varie généralement entre 2,64 et 2,66. Son éclat est vitreux, parfois gras sur les cassures fraîches. Le trait est blanc, indépendamment de la couleur du cristal. Le quartz est transparent à translucide, mais peut devenir opaque en raison d'inclusions microscopiques, de défauts cristallins ou d'altérations superficielles. Son indice de réfraction est relativement faible, mais il présente une biréfringence suffisante pour être aisément identifié en lame mince au microscope polarisant grâce à ses couleurs d'interférence de premier ordre et à son extinction ondulante fréquente dans les roches déformées.

Les propriétés optiques du quartz sont largement utilisées en pétrographie. En lumière polarisée analysée, il montre généralement des couleurs de polarisation faibles, caractéristiques des minéraux à faible biréfringence. Les cristaux ayant subi une déformation tectonique présentent une extinction ondulante, traduisant une réorganisation interne des dislocations cristallines. Cette propriété constitue un indicateur précieux des déformations ductiles dans les chaînes de montagnes. Le quartz est également optiquement uniaxe positif dans sa variété α stable aux températures ordinaires.

Le quartz possède des propriétés électriques particulières liées à l'absence de centre de symétrie de sa structure cristalline. Il est piézoélectrique : une contrainte mécanique appliquée au cristal génère une différence de potentiel électrique, et inversement un champ électrique provoque une déformation mécanique. Cette propriété, découverte au XIX^e siècle, est exploitée dans les oscillateurs électroniques, les montres à quartz, les résonateurs, les filtres de fréquence, les capteurs de pression, les balances à quartz et de nombreux dispositifs scientifiques. Le quartz est également pyroélectrique dans certaines conditions, produisant une polarisation électrique lors des variations de température.

Du point de vue thermodynamique, le quartz présente plusieurs transitions de phase. À pression atmosphérique, le quartz α, stable en dessous de 573 °C, se transforme réversiblement en quartz β au-dessus de cette température. Cette transition s'accompagne d'une légère augmentation de volume et d'une modification de la symétrie cristalline. À des températures plus élevées apparaissent d'autres polymorphes de la silice, notamment la tridymite puis la cristobalite. Sous fortes pressions se forment des phases beaucoup plus denses comme la coésite et la stishovite, découvertes initialement dans les structures d'impact météoritique avant d'être identifiées dans les zones profondes de subduction. Ces polymorphes constituent des indicateurs majeurs des très hautes pressions en géologie.

Le quartz est extrêmement résistant à l'altération chimique. Dans les conditions de surface, il demeure stable alors que de nombreux feldspaths et minéraux ferromagnésiens se transforment en argiles ou en oxydes. Cette stabilité explique son accumulation dans les sédiments matures et les grès quartzitiques. Les grains de quartz peuvent subir plusieurs cycles d'érosion, de transport, de dépôt et de remaniement tout en conservant une grande partie de leur intégrité. Les sables des plages, des dunes et de nombreux déserts sont ainsi dominés par le quartz, particulièrement dans les régions où les autres minéraux ont été éliminés par l'altération.

La formation du quartz intervient dans des contextes géologiques très variés. Dans les magmas riches en silice, il cristallise généralement en fin de solidification, après les feldspaths. Il constitue ainsi un composant essentiel des granites, granodiorites, rhyolites et pegmatites. Dans les systèmes hydrothermaux, les fluides riches en silice précipitent du quartz dans les fractures, les filons et les géodes. La solubilité de la silice dépend fortement de la température, de la pression et du pH; le refroidissement ou la décompression des fluides favorisent donc la cristallisation du quartz. Les grands filons hydrothermaux peuvent contenir des cristaux parfaitement développés associés à de nombreux minerais métalliques, notamment ceux de l'or, de l'argent, du cuivre, du plomb et du zinc.

Dans les environnements métamorphiques, le quartz recristallise facilement sous l'effet des contraintes et de l'augmentation de température. Les grains initiaux peuvent subir une recristallisation dynamique produisant des mosaïques polygonales caractéristiques. Les quartzites résultent du métamorphisme de grès quartziques dont les grains se soudent progressivement par recristallisation jusqu'à former une roche extrêmement compacte et résistante. Dans les schistes, les gneiss et les migmatites, le quartz participe activement aux processus de déformation ductile et aux transferts de matière à l'échelle microscopique.

Le quartz est également omniprésent dans les roches sédimentaires. Les grès quartziques représentent l'un des principaux types de roches détritiques de la planète. Les galets de quartz, très résistants à l'abrasion, s'accumulent dans les conglomérats et les dépôts fluviatiles. La silice dissoute peut également précipiter sous forme de ciment quartzique entre les grains des sédiments, augmentant fortement leur cohésion lors de la diagenèse.

Le quartz présente une grande diversité de variétés résultant principalement d'impuretés, d'inclusions ou de défauts du réseau cristallin. Le cristal de roche est totalement transparent. L'améthyste doit sa couleur violette à des impuretés de fer associées à une irradiation naturelle. La citrine présente une coloration jaune à brun clair liée à des états d'oxydation particuliers du fer ou obtenue artificiellement par chauffage de certaines améthystes. Le quartz fumé est coloré par des défauts induits par les rayonnements naturels. Le quartz rose doit sa teinte à des inclusions nanométriques de fibres ou à des centres colorés complexes impliquant le titane, le fer ou le phosphore. La prasiolite est une variété verte relativement rare. Le quartz laiteux doit son aspect opaque à la présence de très nombreuses inclusions fluides microscopiques.

Les variétés cryptocristallines du quartz constituent un ensemble particulièrement vaste regroupé sous le terme général de calcédoine. Elles sont constituées d'agrégats extrêmement fins de quartz et de moganite. Parmi celles-ci figurent l'agate, caractérisée par ses bandes concentriques, la cornaline, la chrysoprase, l'onyx, le jaspe, le silex et la cornéenne. Ces matériaux possèdent des propriétés mécaniques remarquables et ont été intensivement utilisés par les sociétés préhistoriques pour la confection d'armes, d'outils et d'objets décoratifs.

La composition chimique du quartz est théoriquement très simple, mais le réseau cristallin peut incorporer de faibles quantités d'éléments tels que l'aluminium, le lithium, le bore, le titane, le germanium ou le phosphore. Ces substitutions, bien que limitées, influencent fortement les propriétés optiques, électriques et spectroscopiques du minéral. Les inclusions fluides piégées durant la croissance des cristaux renferment souvent des solutions aqueuses, du dioxyde de carbone, du méthane ou d'autres fluides géologiques. Leur étude permet de reconstituer les températures, les pressions et la composition chimique des fluides ayant circulé dans la croûte terrestre.

Les réactions entre le quartz, les feldspaths et les fluides hydrothermaux contrôlent en partie la concentration en silice dissoute dans les eaux souterraines et les systèmes géothermiques. Dans les océans, la dissolution et la précipitation de la silice influencent également les cycles biogéochimiques, notamment par l'intermédiaire des organismes silicifiés comme les diatomées et les radiolaires.

La présence du quartz constitue un indicateur pétrologique important. Dans les roches magmatiques, elle renseigne sur la saturation en silice du magma. Les roches sursaturées contiennent du quartz libre, tandis que les roches sous-saturées développent des feldspathoïdes à sa place. Cette distinction est fondamentale dans la classification pétrographique des roches ignées. En métamorphisme, la stabilité du quartz permet également de contraindre les conditions de pression et de température à travers les associations minéralogiques.

Le quartz est présent sur de nombreux corps du Système solaire. Sur Terre, il constitue une fraction importante de la croûte continentale, mais demeure relativement rare dans la croûte océanique, plus pauvre en silice. Sur Mars, plusieurs régions étudiées par les rovers et les orbiteurs présentent des dépôts riches en silice, interprétés comme le résultat d'une activité hydrothermale ou de phénomènes d'altération aqueuse. Des formes de silice cristalline et amorphe ont également été identifiées sur la Lune dans certains matériaux volcaniques, ainsi que dans plusieurs météorites différenciées. Les processus de différenciation planétaire, de volcanisme acide et d'altération hydrothermale peuvent conduire à la formation locale de quartz ou de ses polymorphes sur d'autres corps telluriques.