Détermination des minéraux en lames minces au microscope
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Université de Montpellier Licence Sciences de la Terre Détermination des minéraux en lames minces au microscope polarisant Février 2012 1 Sommaire Partie I : Techniques de détermination des minéraux (p.3). I. Propriétés optiques des minéraux. I.1 Rappels de quelques notions sur les ondes lumineuses. I.2 Propriétés optiques des minéraux. I.3 Utilisation de l’ellipsoïde des indices. I.4 Description du microscope polarisant. II. Étude en Lumière Polarisée (LP). II.1. Dispositif II.2. Observations à effectuer a) Réfringence b) Forme et géométrie des minéraux, clivages c) Le pléochroïsme d) Les altérations des minéraux III. Étude en Lumière Polarisée – Analysée (LPA). III.1. Dispositif III.2. Observation en lumière monochromatique III.3 Observation en lumière polychromatique. a) Cas de cristaux isotropes b) Cas des cristaux anisotropes Partie II : Propriétés optiques des minéraux les plus courants(p.46). 2 L’observation des petits objets (comme les minéraux des roches) peut se faire à travers de nombreux instruments d’observation. On peut citer le microscope optique, le microscope électronique, etc… Le principe physique de tous ces appareils se fonde sur l’interaction entre un rayonnement et la matière. Le plus souvent, cette interaction sera caractéristique d’un matériau (minéral) et elle permettra à l’observateur de déterminer ses caractéristiques et donc sa nature (quelle caractéristique et donc quel minéral ?). Dans le cas du microscope optique, le rayonnement incident qui va entrer en interaction avec les minéraux est un rayonnement électromagnétique émettant dans le spectre visible. Pour comprendre ces interactions et leur donner un sens, il est donc nécessaire d’introduire d’une part les propriétés des ondes lumineuses, et d’autre part les propriétés optiques des minéraux. I. Propriétés optiques des minéraux. I.1. Rappels de quelques notions sur les ondes lumineuses. Une onde électromagnétique (par la suite onde EM) est une onde qui correspond à la propagation d’un champ électrique et d’un champ magnétique qui vibrent en phase. Les directions des vecteurs champs magnétique et électrique sont perpendiculaires à la direction de propagation de la lumière. Ils sont toutes deux perpendiculaires entre eux (figure 1). Dans ce qui suit, nous ne parlerons que de champ électrique, car en microscopie optique ce sont les interactions de ce dernier avec la matière qui vont nous intéresser. Figure 1 : champs électrique et magnétique associés à une onde EM. Vitesse v, fréquence ν et longueur d’onde λ d’une onde EM. 3 ! ! On les définit par : "= 1 T et "= v # où T est la période de l’onde. Dans le vide, la vitesse de propagation de l’onde v correspond à la célérité de la lumière notée c (c≈3.108 m.s-1). Dans un milieu matériel, cette vitesse v est inférieure !à c. Elle est telle que : c v= n où n est l’indice de réfraction du matériau. Les fréquences ou longueurs d’onde d’une onde EM peuvent être très variables. La figure 2 montre les longueurs d’onde caractéristiques des différents types de rayonnement. Figure 2 : les différentes régions caractéristiques du spectre des onde EM. L’interaction d’une onde EM avec la matière va dépendre de sa longueur d’onde. Au plus elle sera courte (ou fréquence grande), au plus elle entrera en interaction avec des phénomènes très énergétiques. Ainsi, un rayonnement Infra-Rouge (=0,7 à 1000 microns) sera faiblement énergétique, il va permettre d’exciter les vibrations atomiques d’un cristal ou encore produire des transitions électroniques pour les électrons de valence des atomes, tandis qu’un rayonnement X, beaucoup plus énergétique (inférieur au millièmes de microns), va entrer en interaction avec les électrons de cœur, fortement liés aux atomes. Un rayonnement gamma (très haute fréquence) rendra compte de transitions relatives au noyau de l’atome. 4 L’intensité de l’onde EM est l’énergie EM transportée par l’onde par unité de surface et de temps. Elle va dépendre notamment de l’amplitude du champ électrique élevé au carré. Dans le cas de la microscope optique, la source de lumière est polychromatique « blanche ». Elle sera en effet telle qu’elle émettra principalement dans toutes les longueurs d’onde visibles, depuis le violet (0,4 µm), jusqu’au rouge (0,7 µm). Dans ces longueurs d’onde, la lumière interagit principalement avec des électrons de valence des atomes. L’intensité sera par contre réglable, grâce à un diaphragme, qui permettra d’ajuster la luminosité et d’améliorer les observations. Polarisation d’une onde EM. Les vecteurs champ électrique et magnétique sont orientés dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière (figure 1). Dans ce plan, ces vecteurs ont soit une orientation qui évolue dans le temps, on dit alors que la lumière est non polarisée, soit ces vecteurs sont orientés dans une direction bien précise et constante, on dit alors que la lumière est polarisée (comme dans le cas de la figure 1). La lumière issue de la source lumineuse d’un microscope n’est pas polarisée. Un dispositif optique (prismes de Nicol ou polaroïds ou polariseurs) permet d’obtenir une lumière polarisée en ne laissant passer que les vecteurs champs électriques orientés parallèlement à une direction donnée, choisie par l’opérateur (figure 3). Figure 3 : onde initialement non polarisée qui le devient en traversant un polariseur. V est le plan de vibration de l’onde polarisée. Dans un microscope optique la lumière va interagir avec la matière. Il existe deux manières d’observer un échantillon: - en transmission : l’onde lumineuse traverse l’échantillon et l’observateur analyse la lumière issue de l’échantillon. - en réflexion : une partie de l’onde lumineuse incidente est réfléchie à la surface de l’échantillon et l’observateur analyse cette lumière réfléchie. 5 Les observations les plus courantes se font en lumière transmise (voir principe du microscope plus loin), c’est-à-dire que l’observateur analyse la lumière ayant traversé l’échantillon. Lorsqu’une onde lumineuse traverse un cristal, son amplitude et donc son énergie est modifiée (c’est que l’on appelle l’absorption), sa vitesse varie (réfraction) et la direction de polarisation de la lumière peut être modifiée. Ces modifications sont liées aux propriétés optiques des minéraux. I.2. Propriétés optiques des minéraux. Une espèce minérale est un solide naturel de composition chimique définie, au sein duquel l’organisation des atomes peut soit être aléatoire, on parle d’état amorphe ou vitreux, soit organisé, on parle alors d’état cristallin. La propagation de la lumière dans les solides se fait à une vitesse inférieure v à celle de la lumière v, telle que v = c où n est l’indice de réfraction. n Dans les corps isotropes, cet indice de réfraction est identique dans toutes les directions de propagation, tandis que dans les corps anisotropes, comme la grande majorité des minéraux, ! cette propagation dépend de la direction de propagation. Dans l’étude des propriétés optiques des matériaux, on distingue les corps isotropes et les corps anisotropes. Rappelons ici que l’étude de la morphologie des cristaux (géométrie et orientation des faces cristallines macroscopiques) apporte des preuves de leur comportement anisotrope. Dans le cas de la morphologie des cristaux, c’est la vitesse de croissance des faces qui est une propriété anisotrope (croissance plus ou moins rapide en fonction de la direction). Corps isotropes. Dans ces corps, la lumière se propage avec la même vitesse dans toutes les directions de l’espace. Considérons une source lumineuse ponctuelle placée au centre d’un corps isotrope (un cristal par exemple). Cette source émet des rayons dans toutes les directions de l’espace. Au bout d’un temps t, ces rayons ont parcouru une distance d depuis la source. On appelle surface d’onde la surface atteinte par ces rayons lumineux au bout d’un temps t. La distance d étant proportionnelle à la vitesse, on peut la définir comme une surface représentant les vitesses dans 6 toutes les directions de l’espace. Pour les corps isotropes, cette surface est donc sphérique (figure 4). En microscopie optique, on définit également une surface dite surface d’indice, représentant non plus les vitesses, mais les indices de réfraction dans toutes les directions de l’espace. Ce sera une sphère dans un milieu isotrope (figure 4). Lorsqu’une onde traverse un milieu isotrope, elle n’est pas séparée en plusieurs ondes. Une seule onde sera issue du milieu. On parle de milieu monoréfringent. L’onde traversant le matériau puis issue du matériau aura une polarisation dont l’orientation sera identique à celle de la polarisation de l’onde incidente. Ainsi, toute onde de polarisation orientée initialement N-S aura sa polarisation orientée N-S après son trajet dans l’échantillon. Les milieux isotropes correspondent aux milieux désordonnés (les matériaux amorphes comme les verres volcaniques) et aux cristaux cristallisant dans le système cubique (exemple : grenats). Figure 4 : surface d’onde d’un milieu isotrope (gauche) et phénomène de monoréfringence (droite) Corps anisotropes. Dans ces corps, la vitesse de la lumière varie suivant sa direction de propagation. La surface d’onde prendra la forme d’un ellipsoïde géométriquement définie par trois élongations principales qui correspondront à trois vitesses (figure 5) : - Vg, pour la plus grande vitesse. - Vm correspondant à une vitesse intermédiaire. 7 - Vp pour la plus petite vitesse. La vitesse dans toutes les autres directions de propagation sera une fonction linéaire de ces trois vitesses principales. En raisonnant sur les indices, cette propriété peut aussi être représentée par un ellipsoïde dont les élongations principales correspondront aux trois indices principaux (figure 5) : - Ng pour l’indice le plus grand, correspondant à la direction de Vp - Nm pour l’indice intermédiaire, correspondant à la direction de Vm - Np pour l’indice le plus petit, correspondant à la direction de Vg Figure 5 : Surface d’onde d’un milieu anisotrope (à gauche) et surface d’indice correspondante (à droite). Toutes les espèces minérales qui cristallisent dans les systèmes autres que le système cubique (hexagonal, quadratique, rhomboédrique, orhtorhombique, monoclinique, triclinique) seront anisotropes. Il existe des relations entre la forme de l’ellipsoïde des indices et la symétrie des cristaux. Pour un rappel des propriétés de symétrie des cristaux, vous pouvez vous référer au cours et TP de minéralogie-cristallographie du semestre 3, au polycopié et au diaporama disponible sur le site de l’UE « minéraux et roches ». Les indices principaux des ellipsoïdes correspondent obligatoirement à des axes de symétrie quand il y en a. 8 Si un cristal possède un axe de symétrie d’ordre 3 (système rhomboédrique), 4 (système quadratique) et 6 (système hexagonal), cela implique l’existence d’au moins 3 indices égaux perpendiculairement à la direction de l’axe. Par conséquent, il existe dans l’ellipsoïde une section circulaire perpendiculaire à l’indice principal superposé avec l’axe de symétrie. C’est une section d’ellipsoïde dite cyclique. On a alors un ellipsoïde de révolution dont l’axe de révolution est l’axe de symétrie principal. Cet axe est une direction de monoréfringence : quand la lumière se propage parallèlement à cet axe, le vecteur champ électrique se situe dans le plan perpendiculaire à cet axe et quelque soit son orientation, l’indice de réfraction est le même. Deux indices principaux suffiront à définir l’ellipsoïde : Ng et Np. Les cristaux présentant ce type d’ellipsoïde sont dits UNIAXE (un seul axe optique). Les sections contenant les indices Ng et Np sont des sections principales. Si Ng est superposé avec l’axe optique, on parle de cristal UNIAXE POSITIF (figure 6) Si Np est superposé avec l’axe optique, on parle de cristal UNIAXE NEGATIF (figure 7) Cet ellipsoïde est caractéristique des cristaux cristallisant dans les systèmes quadratique, hexagonal et rhomboédrique (voir différents cas possibles en figure 8). 9 Figure 6 : Ellipsoïde des indices UNIAXE POSITIF. 10 Figure 7 : ellipsoïde des indices UNIAXE NEGATIF. 11 Figure 8 : disposition de l’ellipsoïde des indices en fonction des axes de symétrie de cristaux UNIAXES. 12 Si le cristal ne possède pas d’axe optique supérieur à 2, l’ellipsoïde est géométriquement quelconque, mais on démontre que toutes les sections de cet ellipsoïde sont des ellipses sauf deux d’entre elles qui sont circulaires et symétriques (figure 9). Ce sont des sections dites cycliques. Perpendiculairement à ces deux sections, on définit deux axes optiques (A.O.) qui sont deux directions de monoréfringence. Ces cristaux sont qualifiés de biaxes (figures 10, 11 et 12). Les sections contenant les indices Ng et Np sont des sections principales. Trois indices principaux sont nécessaires pour définir cette ellipsoïde : Ng, Np et Nm. Conventionnellement, on désigne par 2V l’angle que font entre eux les deux axes optiques. Si Ng est la bissectrice de l’angle aigu des axes optiques, on parle de BIAXE POSITIF. Si Np est la bissectrice de l’angle aigu des axes optiques, on parle de BIAXE NEGATIF. Cet ellipsoïde est caractéristique des systèmes orthorhombique, monoclinique et triclinique. Biréfringence. Les milieux anisotropes uniaxes et biaxes sont biréfringents. Lorsqu’un rayon lumineux rencontre leur surface, il y pénètre en s’y divisant en deux rayons réfractés d’égale intensité, mais de polarisation et de vitesse différentes. On parle de rayon ordinaire (Ro) et extraordinaire (Re). Ces deux rayons seront polarisés suivant les deux indices principaux de la section perpendiculaire à la direction de propagation. On désignera par ng et np les deux indices principaux de la section de l’ellipsoïde perpendiculaire à la direction de propagation. Lorsque les sections seront cycliques, on aura ng=np , lorsqu’elle sera principale, alors ng = Ng et np=Np. Figure 9 : phénomènes de biréfringence. 13 Lorsque la section est cyclique, c’est-à-dire que la direction de propagation se fait suivant un axe optique, on a ng=np et le rayon ne se divise pas en deux rayons diffractés, c’est pour cela que l’on parle de direction de monoréfrigence. Figure 10 : ellipsoïde des indices des cristaux BIAXES. 14 Figure 11 : Disposition de l’ellipsoïde des indices dans le système orthorhombique. 15 Figure 12 : Disposition de l’ellipsoïde des indices dans le système monoclinique et triclinique. 16 I.3. Utilisation de l’ellipsoïde des indices. Une grande partie de votre travail au microscope va consister à caractériser l'ellipsoïde des indices des minéraux que vous aurez à identifier, et cela à travers l'étude des "sections" de ce minéral présentes dans les lames minces. Chaque minéral est caractérisé par un type d’ellipsoïde lui-même établi à partir des indices définis. Étudier l’ellipsoïde est une étape importante dans la détermination d’un minéral. Première remarque: les "sections" minérales en question sont en fait des lames à faces parallèles de 30 microns d'épaisseur. Elles ont donc toutes les propriétés du minéral et, en particulier, les propriétés optiques liées à la propagation de la lumière. Ces sections peuvent donc être caractérisées par un ellipsoïde des indices. Dans les schémas précédents associant minéral et ellipsoïde (figures 8, 11 et 12), nous avons favorisé par commodité une représentation de l'ellipsoïde avec son centre de symétrie superposé avec celui du minéral. Ce n'est pas cette représentation qui sera utilisée dans les paragraphes suivants. Si l'on étudie une lame minérale à faces parallèles éclairée par une source lumineuse extérieure, on peut construire les ellipsoïdes des indices centrés sur les points d'impact des différents ravons lumineux. Le schéma ci-dessous illustre ce propos. Figure 13. 17 Figure 14 18 On a vu que, à l'exception des minéraux cubiques, tous les milieux cristallins étaient biréfringents, et donc à chaque rayon lumineux incident Ri correspond 2 rayons lumineux réfractés Ro et Re. De plus, les vecteurs amplitudes de ces 2 rayons vibrent suivant 2 directions perpendiculaires l'une à l'autre mais différentes de celle du vecteur amplitude du rayon incident. Il existe un moyen de déterminer facilement les directions de vibrations des vecteurs amplitude al et a2 des rayons réfractés Ro et Re. En effet, ces 2 directions dépendent de la géométrie de l'ellipsoïde des indices centré sur le point d'impact de Ri. Considérons un tel ellipsoïde (dans le cas de la figure 14, l'ellipsoïde est de type biaxe et donc caractérisé par ses 3 indices principaux Ng, Nm, et Np) et construisons la section de cette ellipsoïde perpendiculaire à Ri : il s'agit donc de la section en gris sur la figure 14, section correspondant en fait à l'intersection de l'ellipsoïde par le plan de la lame. Cette section, comme n'importe quelle section d'ellipsoïde; est caractérisable par ses 2 élongations principales ng et np (avec Ng<ng<Nm et Nm<np<Np). À la sortie de la lame, les vecteurs amplitude des rayons réfractés Ro et Re vibreront l'un parallèlement à ng et l'autre à np. Comme nous allons le voir, cette propriété optique va vous permettre de positionner facilement ng et np dans la lame minérale et d'orienter ainsi tous les repères cristallographiques classiques (allongement du minéral, clivages ... ) par rapport à ces 2 indices. Mais, répétons le, il s'agit du ng et du np de la section de l'ellipsoïde des indices (centré sur le point d'impact des rayons lumineux) perpendiculaire à la direction de propagation de ces rayons. Le microscope dont vous disposez ne vous permet pas de reconstruire, à partir de l'étude d'une seule section minérale, l'intégralité de l'éllipsoïde des indices de ce minéral : il vous permet d'accéder uniquement à la connaissance d'une section de l'ellipsoïde définie précédemment (voir figure ci-contre, bas de page). Pour reconstruire au mieux cet ellipsoïde, il vous faudra étudier plusieurs lames taillées dans le même minéral. Chaque lame vous permettant de construire une section de l'ellipsoïde, l'étude de n lames vous permettra de caractériser l'ellipsoïde dans son intégralité. 19 I.4. Description du microscope polarisant. Le microscope polarisant (ou encore métallographique) est spécialement adapté aux études pétrographiques. Celles-ci consistent à observer des lames minces polies, à faces parallèles, de roches taillées à l’épaisseur de 30 micromètres. Comme tout microscope, il dispose : - d’une source lumineuse (lampe à incandescence par exemple) dont le rayonnement est diffusé dans toutes les directions de l’espace à la l’aide d’une lame de verre diffusante disposée juste au dessus de la lampe. - D’une sous-platine, comprenant le diaphragme, dont le réglage de l’ouverture permet d’ajuster la luminosité du faisceau. Elle comprend aussi un condenseur escamotable, qui permet de focaliser (ou non) le faisceau (initialement parallèle) sur la lame mince. - D’une platine surlaquelle repose l’échantillon. - D’une sur-platine, où sont disposés les objectifs et l’oculaire, dispositifs optiques permettant d’obtenir différents grossissements de l’échantillon. L’oculaire renferme un réticule à deux fils croisés orthogonaux réglés de telle façon que l’un deux coïncide avec le plan de symétrie du microscope. Le microscope polarisant diffère du microscope ordinaire, utilisé par exemple en biologie, dont le principal objectif est d’offrir la possibilité d’observer de petits objets. Il offre en effet la possibilité d’étudier les propriétés optiques des minéraux. Celles-ci servent à les distinguer et donc à les déterminer. Il dispose en plus : - d’un polariseur, situé au sein de la sous-platine interposé entre la source lumineuse naturelle (non polarisée) et l’échantillon. Il est permanent. - d’une platine tournante, graduée en degré. - d’un analyseur, situé entre l’objectif et l’oculaire. Il est escamotable. - de dispositifs permettant des analyses plus poussées (intercalation de lame auxiliaire, lentille de Bertrand) que nous n’utiliserons pas dans un premier temps. 20 Les observations se feront donc - soit en lumière polarisée, appelée parfois, à tort, lumière naturelle (LP ou LN), lorsque l’analyseur est escamoté. - soit en lumière polarisée-analysée (LPA). La lumière en sortie du polariseur vibre dans le plan N-S (devant-derrière par rapport à l’observateur) pour nos microscopes. Le plan de l’analyseur est E-W (ou droite-gauche par rapport à l’observateur) et ne laisse passer que les vibrations contenues dans ce plan. Avant toute utilisation - Vérifier la position du polariseur, qui doit être toujours en position N-S. Pour cela, le 0 de la couronne du polariseur (sous-platine) doit être en face du repère. - Escamoter la lentille de convergence (ou condenseur). - Retirer l’analyseur et la lentille de Bertrand. - Régler l’oculaire de telle façon à observer nettement le réticule. - Régler l’intensité lumineuse avec le diaphragme de telle façon à ce que l’observation soit la plus confortable possible. 21 Figure 15 : trajets lumineux simplifiés dans un microscope (à gauche) et différentes parties d’un microscope (à droite). 22 II. Étude en lumière polarisée (LP). II.1. Dispositif Le polariseur est interposé sur le trajet des rayons lumineux. La sous-platine est en position basse. II.2. Observations à effectuer - Réfringence (relief) - Forme et disposition des minéraux (texture); géométrie des contours habitus prismatiques, aciculaires (en aiguilles) etc… - Clivages uniques ou conjugués - Couleur et pléochroïsme - Altérations diverses a) Réfringence La réfringence dépend directement de la valeur absolue de l’indice de réfraction des minéraux (figure 16). L’indice d’un minéral est d’autant plus élevé que ses contours sont plus accusés : son relief en est d’autant plus accentué. C’est cette impression de relief qui est ressentie lors de l’observation au microscope. Méthode de la frange de Becke : ce procédé permet de comparer avec précision des minéraux d’indice très voisins. La mise en œuvre de ce procédé nécessite : - que la sous-platine soit montée au maximum - d’utiliser un objectif à fort grossissement - une mise au point très précise à l’aide de la vis micrométrique sur la ligne de séparation des deux minéraux - la fermeture du diaphragme alors, apparaît un liseré lumineux brillant à la limite de séparation des deux milieux, dite frange de BECKE. Règle : la frange se déplace vers le minéral le plus réfringent (au plus fort relief) lorsqu’on détruit la mise au point, en augmentant la distance de la séparation à l’objectif. Remarque : dans le cas des microscopes utilisés, il suffit de baisser légèrement la platine. 23 b) Forme et géométrie des minéraux, clivages (figure 15) Les sections minérales à contours géométriques sont dites automorphes ou subautomorphes (figure 15 a, b). Celle de forme quelconque caractérisent les minéraux xénomorphes (figure 15c). En lames minces, les clivages (=plan de cassure préférentiel) se matérialisent par des traces rectilignes parallèles entre elles et plus ou moins continues. Lorsque le minéral ne dispose que d’un seul plan de clivage, comme la biotite, les sections basales, parallèles au plan de clivage, ne montrent pas de traces de plan clivage. Les sections obliques aux plans de clivages montrent une famille de plan de clivage. Ce sont des sections longitudinales. Lorsque le minéral présente deux clivages (par exemple, augite, amphibole) les sections basales comportent les traces des deux familles de clivages. Ceux-ci se recoupent selon un angle caractéristique du minéral (90° pour les augites, 120° pour les amphiboles). Les sections longitudinales ne montrent elles qu’un seul plan de clivage. On qualifie de facile une famille de plan de clivage qui donne lieu à des traces nettes, fines et continues dans le minéral. Le minéral est alors très peu fracturé, toute la déformation étant accommodée par les clivages. On qualifie de difficile une famille de plan de clivage qui donne lieu à des traces grossières et discontinues. Le minéral qui les contient sont alors souvent fracturés, les fractures recoupant parfois les clivages ou bien leur étant obliques. On définit l’allongement comme la direction des plans de clivage observée sur des sections longitudinales. Dans le cas où le minéral ne présente pas de clivages ou contient des clivages peu visibles (quartz, olivine), l’allongement est pris comme étant la direction de croissance préférentielle de la section, lorsque celle-ci est automorphe. c) Le pléochroïsme La lumière qui émerge d’une section minérale à faces parallèles à souvent une intensité moindre qu’à l’entrée. Cette diminution d’intensité est due au phénomène d’absorption de certaines longueurs d’onde de la lumière utilisée : - lorsque l’absorption est faible, le corps est transparent et incolore. Ex : quartz. - Si l’absorption est totale, le corps est opaque : cas des minerais (oxydes, sulfures). Il en découle que la couleur qui est une propriété du minéral est un critère important de reconnaissance des minéraux. 24 Dans les minéraux colorés anisotropes, l’absorption varie suivant les directions correspondant aux indices principaux de leur ellipsoïde des indices. Dans ce cas, le minéral présente des colorations différentes suivant les indices principaux. C’est le phénomène de pléochroïsme. Relations entre le pléochroïsme et les systèmes cristallins les minéraux qui cristallisent dans le système cubique peuvent etre colorés, mais en raison - de leur isotropie, ils ne sont pas pléochroïques : ex : grenat rose, haüyne bleue etc… Les minéraux uniaxes pléochroïques présentent deux teintes limites d’absorption : ex : - biotite Ng : brun acajou (figure 15 e et f), Np : jaune pâle Si l’absorption maximum se fait, comme dans le cas de la biotite, suivant la direction de l’allongement, il s’agit de pléochroïsme direct. Par contre, si l’absorption maximum a lieu perpendiculairement à la direction de l’allongement, le pléochroïsme est inverse (ex : tourmaline : Ng : incolore ; Np : brun vert). d) Les altérations des minéraux Les phénomènes d’altération sont très fréquents dans les minéraux. Il s’agit de la transformation d’un espèce minérale, de cristallisation précoce, en un assemblage de minéraux tardifs plus finement cristallisés. Cette altération progresse généralement de la périphérie du minéral vers son centre (figure 15 d). Elle se propage à la faveur des plans de discontinuité du minéral (clivages, cassures) (figure 16a) en respectant sa forme et en soulignent ses variations de composition. La pseudomorphose est le résultat de la transformation totale d’une espèce minérale I en une espèce minérale II. Parmi les minéraux sensibles à l’altération et fréquemment transformés, citons : - Les altérations de feldspaths : - kaolinisation des feldspaths alcalins - damouritisation des plagioclases - saussuritisation des plagioclases - Les altérations de biotite en chlorite (figure 16 a) - L’ouralitisation des pyroxènes - La serpentinisation des olivines. 25 26 27 III. Étude en Lumière Polarisée – Analysée (LPA). Avertissement Les propriétés optiques d’un minéral étant liées à sa structure cristalline et non à sa forme, un cristal automorphe de ce minéral, un cristal xénomorphe, un morceau de cristal et une lame mince à faces parallèles taillée de façon quelconque dans le cristal, auront tous la même surface d’indice. Une roche contient un grand nombre de cristaux de la même espèce minérale. Ces cristaux sont le plus souvent disposés au hasard, et une lame mince à faces parallèles quelconque d’une roche montre un grand nombre de sections différentes d’une même surface d’indice (figure 17). La détermination correcte d’un minéral implique donc l’étude du plus grand nombre possible de ces sections différentes (méthode statistique). Figure 17 : différentes sections minérales dans le plan de la lame mince et formes des sections d’ellipsoïde correspondantes. 28 ! III.1. Dispositif Pour passer en lumière polarisée-analysée, il suffit d’interposer l’analyseur sur le trajet des rayons lumineux. Dans ce cas, les plans de vibration du polariseur et de l’analyseur sont orthogonaux : en l’absence de toute lame mince à faces parallèles, la lumière n’est pas transmise (le champ est obscur). Toutes les observations au microscope polarisant se font en lumière blanche (ou polychromatique). Pour mieux comprendre la théorie des phénomènes observés, il est préférable d’envisager d’abord, une étude en lumière monochromatique. III.2. Observation en lumière monochromatique a) Cas de cristaux isotropes (figure 18) Quelque soit la lame mince, la section de la surface d’indices est cyclique. Le rayon incident polarisé (plan de vibration NS) traverse la lame mince sans être modifié (corps monoréfringent). Arrivant sur l’analyseur (plan de polarisation NS), le rayon n’est pas transmis donc : Toutes les sections des cristaux isotropes sont toujours éteintes en lumière polarisée-analysée, quelle que soit la position de la platine du microscope. b) Cas des cristaux anisotropes (figure 19) Sauf dans le cas des sections cycliques perpendiculaires aux axes optiques (cas qui peut être assimilé aux sections de cristal isotrope), les sections des ellipsoïdes des indices sont des ellipses définies par leurs deux indices ng et np. En traversant la lame mince, le rayon lumineux subit une double réfraction et les vecteurs amplitude des deux rayons réfractés sont les composantes du vecteur amplitude du rayon incident, parallèles aux directions de ng et np. L’analyseur ne laisse passer que les composantes E-W de ces deux vecteurs. Les deux rayons réfractés, qui ont des amplitudes égales en valeurs absolues mais de signe inverse, et des vitesses différentes interfèrent à la sortie de l’analyseur pour donner une onde dont l’intensité I’ est donnée par la formule : & # .e.(n g $ n p ) ) I'= I sin 2 (2" )sin 2 ( + % ' * 29 I = intensité de l’onde incidente α = angle aigu que font les indices ng et np avec les directions N-S et E-W, modifiable à volonté par rotation de la platine e = épaisseur de la lame (e est une constante = 0.030 mm) λ = longueur d’onde du rayon incident (ng-np) s’appelle la biréfringence L’intensité de l’onde résultante transmise est nulle (figure 20) lorsque : sin2 2α = 0 soit pour α = kπ/2 On a donc 4 extinctions totales de la section lorsque l’on fait tourner la platine du microscope de 360°. Ces quatre extinctions correspondent aux 4 possibilités de superposition des indices ng et np de la section, avec les directions NS et EW de polarisation du polariseur et de l’analyseur. De plus, on a 4 positions d’éclairement maximum pour α = (k+1)π/4, c’est-à-dire lorsque les deux indices de la section sont à 45° des directions NS et EW. L’intensité est également nulle lorsque : % " .e.(n g # n p ) ( sin 2 ' *=0 $ & ) obtenu pour e(ng-np) =k λ avec e =constante et e(ng-np) = δ = retard ! On a donc extinction de la section lorsque le retard, qui dépend uniquement de la biréfringence, est un multiple entier de la longueur d’onde du rayon incident. Un exemple de ce phénomène est donné en figure 21 pour deux ondes de longueurs d’onde différente : une onde rouge et une onde jaune. N.B. : - α est une variable qui dépend de la position de la lame mince sur la platine du microscope. α peut être modifié à tout instant par l’opérateur en faisant tourner la platine. - la biréfringence est une valeur caractéristique d’une section donnée de l’ellipsoïde des indices. L’opérateur ne peut donc la faire varier mais, par contre, la biréfringence varie suivant les sections étudiées dans un même cristal. 30 31 III.3. Observation en lumière polychromatique. La transmission de chaque onde constitutive de cette lumière s’opère suivant la loi mise en évidence aux paragraphes précédents. Le signal arrivant à l’observateur correspondra à la somme des ondes sur tout le spectre visible. Un exemple de somme de deux ondes monochromatiques (jaune et rouge) ayant interagi avec un cristal anisotrope est donné en figure 21. Il y a toujours 4 extinctions lors d’une rotation de 360° de la platine du microscope. Pour une section minérale donnée, le maximum d’éclairement est obtenu lorsque les indices principaux de la section sont à 45° des directions N-S et E-W (directions des polariseurs et analyseurs). De plus, chaque section est caractérisée par une teinte de biréfringence (ou teinte de polarisation) qui correspond à l’addition des différentes ondes transmises de couleurs différentes. Une échelle de teinte de polarisation faisant intervenir toutes les ondes transmises de couleurs différentes a été constituée : c’est l’échelle des teintes de Newton. Cette échelle est partagée en 4 ordres de teintes séparées par trois teintes sensibles caractéristiques. Figure 21 : teintes obtenues par addition de 2 ondes monochromatiques (une jaune, une rouge) transmises en fonction de la biréfringence δ=e(ng-np). 32 er 1 Ordre : ng – np = 0 à 0,01 Noir Gris-blanc ng-np=0 Section cyclique Jaune-orange-rouge-indigo Toutes les couleurs se Certaines courbes se détachent mélangent avec des avec leur premier maximum intensités comparables ème 2 Ordre : ng – np = 0,01 à 0,02 Bleu vert – jaune-orange-rouge-indigo Les différentes courbes ont leur maximum bien individualisé. Ces couleurs sont vives et franches. ème 3 Ordre : ng – np = 0,02 à 0,027 ème Bleu vert – jaune-orange-rouge-indigo (mêmes teintes que 2 ordre) La discordance des courbes s’accentue vers la fin de cet ordre, les couleurs perdent leur netteté et commencent à se délaver. ème 4 Ordre : ng – np > 0,027 Violet er Teinte sensible de fin du 1 Ordre Violet Teinte sensible de fin du ème 2 Ordre Violet Teinte sensible de fin du ème 3 Ordre ème Bleu vert – jaune-orange-rouge-indigo (mêmes teintes que 2 et 3 ordre) Les différentes courbes sont complètement disjointes et la combinaison des différentes ondes donne une couleur quasi blanche (bleu, vert, jaune…) toujours très délavée avec de fréquentes irisations. Remarque : pour un cristal d’un minéral donné la biréfringence est variable suivant les sections étudiées. Cette biréfringence varie entre deux valeurs limites correspondant à deux teintes limites : - à la biréfringence minimale (ng–np = 0), correspond une teinte noire (section cyclique) - à la biréfringence maximale (ng–np = Ng-Np), correspond la teinte de biréfringence la plus élevée (section contenant l’axe ou les axes optiques, c’est à dire, plans de sections principales). Toutes les autres sections ont des teintes intermédiaires entre le noir et la teinte maximale. III.4. Application a) Estimation de la biréfringence Seule la biréfringence maximale est caractéristique d’un minéral donné. La section qui présente cette biréfringence correspond au plan de section principale de l’ellipsoïde des indices. Elle contient Ng, Np et l’axe optique dans le cas des uniaxes ou les axes optiques dans le cas des biaxes. Seule cette biréfringence est caractéristique du minéral. Méthode : - Recherche dans la lame la section du minéral qui présente la teinte de biréfringence la plus élevée dans l’échelle des teintes de Newton. - Amener cette section à la croisée des fils du réticule - Tourner la platine jusqu’à ce que la section soit la plus lumineuses possible : position d’éclairement maximum. ng et np sont à 45° des fils du réticule. 33 - Comparer la teinte obtenue avec l’échelle des teintes de Newton. L’estimation de l’ordre de biréfringence peut être directe pour les teintes des 1er et 4ème ordres. Pour les teintes des 2ème et 3ème ordres, l’utilisation d’une lame auxiliaire est indispensable. Utilisation de la lame auxiliaire Quartz compensateur (figure 22) Cette lame auxiliaire est une lame de quartz biseautée dont la direction du grand indice N’g est gravée sur le support. On interpose cette lame entre la section cristalline étudiée et l’analyseur (logement juste au-dessus de la tourelle des objectifs). Son N’g est de 45° des fils du réticule par construction. Cette lame provoque une modification du retard des rayons lumineux, comme elle a une épaisseur variable, on peut accentuer ou diminuer cette modification en faisant glisser très progressivement la lame dans son logement. Deux cas sont à envisager : 1er cas : ng et N’g sont superposés : => les retards s’accumulent et la teinte de polarisation s’élève dans l’échelle des teintes de Newton, à mesure que l’on enfonce la lame quartz compensateur. 2ème cas : np et N’g sont superposés => les deux retards se soustraient et la teinte résultante descend dans l’échelle des teintes de Newton. Ces retards finissent par s’annuler : il y a compensation. Avant d’obtenir cette compensation, l’opérateur a vu défiler un certain nombre de violets « teinte sensible ». Technique: - Faire coïncider np et N’g - Compter le nombre de violets teinte sensible observés avant d’obtenir la compensation (logiquement compensation = extinction, en fait obtention d’un gris de 1er ordre). - Ajouter 1 à ce nombre pour obtenir l’ordre de biréfringence de la section minérale étudiée. Ex : la section étudiée a une teinte de biréfringence verte. Lorsque l’on introduit la lame Quartz compensateur, deux violets sont observés avant d’atteindre un gris de 1er ordre. La section polarise donc dans le 3ème ordre. 34 35 b) Mesure de l’angle d’extinction (figure 23) Toute section de minéral anisotrope présente 4 extinctions totales au cours de la rotation complète de la platine. Ces extinctions se produisent lorsque les plans de polarisation du polariseur et de l’analyseur sont confondus avec les indices ng et np de la section. Si l’on possède un repère linéaire dans une section minérale à étudier : trace de plan de clivage, de face cristalline à allongement net, de plan de macle, on mesure l’angle aigu que fait l’un des indices de la section avec ce repère cristallographique. Méthode : On dispose le repère cristallographique parallèlement au fil NS du réticule. Deux cas à envisager : - dans cette position, la section est éteinte ng et np sont confondus avec les directions N-S et E-W. L’extinction est droite, et l’angle d’extinction est égal à 0° (α=0). - Dans cette position, la section est éclairée. On tourne alors la platine jusqu’à extinction. On lit l’angle sur le limbe gradué et l’on ne retient que les valeurs angulaires inférieures à 45° (si l’on obtient un angle supérieur à 45°, il faut refaire la mesure en tournant la platine en sens inverse). Pour un minéral donné, l’angle d’extinction mesuré pourra varier d’une section à une autre, depuis 0° jusqu’à un angle maximum noté αmax . Seul l’angle α max est caractéristique d’un minéral. On trouvera cet angle en mesurant des angles d’extinction sur une nombre suffisant de sections (une dizaine) . c) Mesure du signe d’allongement Le but de cette manipulation consiste à déterminer la nature de l’indice (np ou ng) qui est confondu avec la direction NS à l’extinction. Le signe d’allongement d’une section minérale se mesure uniquement sur des sections présentent des allongements nets ou des repères cristallographiques parallèles à l’allongement. On utilise pour cette mesure des lames auxiliaires à épaisseur constante (lame gypse ou quartz, teinte sensible (TS) et lame micas quart d’onde λ/4). Le N’g de ces lames est gravé sur leur support. Lorsque la lame est engagée, le N’g est à 45° des fils du réticules. 36 Méthode : - Mettre à l’extinction totale la section minérale : n1 est l’indice faisant le plus petit angle avec l’allongement de la section. - Tourner cette section à 45° du fil N-S. L’introduction de la lame auxiliaire appropriée modifie la teinte de polarisation de la section. Elle monte ou descend dans l’échelle des teintes de Newton. Cas des minéraux faiblement biréfringents (la teinte de biréfringence est inférieure au jaune de 1er ordre) On utilise la lame auxiliaire teinte sensible (TS). Cette lame a une teinte de biréfringence violet de 1er ordre. En introduisant la lame TS, la teinte de biréfringence du minéral devient inférieure. C’est cette variation apportée par la lame TS à la teinte de biréfringence de la section qui sera notée (variation de teinte par rapport au violet TS). Ex : soit une section polarisant dans le jaune du 1er ordre. Lorsque l’on introduit la lame TS : * La teinte passe au bleu, elle monte par rapport au violet : ng est donc confondu avec N’g * La teinte passe au rouge orangé, elle descend : np est confondu avec N’g. Cas des minéraux moyennement biréfringents (du jaune 1er ordre à la fin du 3ème ordre) On utilise la lame auxiliaire λ/4 d’onde. Cette lame a une teinte de biréfringence jaune 1er ordre ; En introduisant la lame auxiliaire λ/4, la teinte de biréfringence du minéral devient supérieure. C’est cette variation apportée par la lame auxiliaire λ/4 à la teinte de biréfringence de la section qui sera notée. Ex : soit une section polarisant dans le vert de 2ème ordre. Lorsque l’on introduit la lame mince λ/4 d’onde, la teinte devient : * soit jaune : on monte dans l’échelle des teintes ; ng est confondu avec N’g * soit bleu : on descend dans l’échelle des teintes : np est confondu avec N’g Lorsque l’indice faisant le plus petit angle avec la direction d’allongement de la section minérale est ng, la section a un allongement positif. Lorsque cet indice est np, la section a un allongement négatif. 37 Figure 23 : technique de mesure de l’angle d’extinction d’un minéral. 38
