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

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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).

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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.

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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 :
!
v=c
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.

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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 µ m), jusqu’au rouge (0,7 µ m). 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.