OPTIQUE CRISTALLINE Première Partie : "LPNA"

Licence "Sciences de la Matière" - Parcours "Géosciences"
OPTIQUE CRISTALLINE
Première Partie : "LPNA"
F. Porcher -17 novembre 2005
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Introduction – Rappels
I.1) Introduction
Ce cours est consacré à l'étude et la reconnaissance des minéraux à partir de leur interaction avec la
lumière. Il se poursuit en L3 avec l'UE de différentiation LSM.6.519 " Minéraux accessoires : de la
géologie à l’industrie".
• La première partie de ce cours concerne l'étude de minéraux en lames minces par microscopie par
transmission, en lumière naturelle ou polarisée mais non analysée. Elle rappelle les propriétés de la
lumière (propagation, polarisation, …) et de son interaction avec la matière. Ensuite l'interaction de la
lumière avec les minéraux est abordée avec les notions de pouvoir rotatoire, (bi)réfringence, relief et
pléochroïsme.
• La seconde partie du cours traite des propriétés en lumière polarisée et analysée : extinction, teinte de
polarisation et figures d'interférence observées en conoscopie. Ce cours étant destiné à servir
d'introduction à l'étude des minéraux en lames minces, l'accent est mis sur l'utilisation du microscope
pétrographique et tous les phénomènes précédemment décrits sont reliés aux observations qu'on peut
en faire sous microscope.
• La troisième partie de ce cours, abordée uniquement en L3- LSM.6.519, est consacrée à l'étude des
minéraux opaques par microscopie par réflexion. Elle présente les notions de pouvoir réflecteur, de
biréflexion, et de polychroïsme de réflexion en les reliant également à des observations sous
microscope.
I.2) Objectifs
Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour identifier les minéraux :
La microscopie électronique ou la microsonde :
AVANTAGES : Elles permettent une analyse chimique semi-quantitative (microscopie) ou quantitative
(microsonde) des minéraux.
INCONVENIENTS : Ces techniques relativement sont coûteuses (quelques centaines de Francs pour une
heure d’analyses) et les appareils sont peu disponibles. L’analyse chimique ne permet pas de distinguer
différents polymorphes (calcite et aragonite, par exemple) c’est à dire des minéraux qui ont même
composition chimique mais une structure cristalline différente.
La diffraction des rayons X :
AVANTAGES : La diffraction des rayons X sur poudre permet de déterminer la maille cristalline de
l’échantillon et ainsi de distinguer aisément les polymorphes.
INCONVENIENTS : Les expériences nécessitent des monocristaux ou sont difficiles à interpréter dans le
cas de spectres de poudres correspondant à un mélange de plusieurs cristaux.
La microscopie optique :
AVANTAGES : C’est une méthode peu coûteuse, nécessitant un matériel réduit. Elle est basée sur les
propriétés liées à la structure cristalline des minéraux et permet de distinguer ainsi les polymorphes. Elle
permet parfois également une estimation grossière de la composition chimique des minéraux
(détermination du taux de substitution cationique dans les plagioclases par la méthode de la double macle).
INCONVENIENTS : La préparation des échantillons demande de la minutie (régularité du polissage,
estimation de l’épaisseur des lames minces).

I.3) Rappels sur les propriétés de la lumière
I.3.1 Les modèles de lumière
La lumière est une forme d’énergie dont une des caractéristiques est de se propager dans le vide à une
vitesse finie d’environ 300.000 km/s. Historiquement et selon les situations, la lumière a été décrite par
trois théories :
La théorie des rais (Descartes, 17ème siècle) : La lumière est décrite par un vecteur (rayon lumineux)
correspondant au trajet parcouru par la lumière entre deux points. Chaque milieu est caractérisé
par un indice de réfraction, qui est responsable de la déviation des rayons lumineux aux interfaces
entre 2 milieux (réfraction / réflexion. Ce modèle pour la lumière est utilisé avec succès en
Optique géométrique pour décrire, par exemple, les associations de lentilles (objectif, oculaires,
…) dans le système optique des microscopes.
La théorie ondulatoire (Maxwell, Fresnel, 18ème -fin 19ème siècle) : La lumière est une onde
électromagnétique qui correspond à la propagation d’un champ électrique et d’un champ
magnétique transverse. Elle est formulée dans un ensemble de 4 équations, les équations de
Maxwell. La matière est caractérisée par ses susceptibilités diélectrique et magnétique, d’où on
déduit indice de réfraction et pouvoir réflecteur. C’est une théorie adaptée à l’étude des
phénomènes macroscopiques : optique, diffraction, radio ou électricité. C’est cette théorie qui est
utilisée en pétrographie pour décrire les phénomènes observés sous microscope (donc
macroscopique ! ! !) et qui correspondent à l’interaction de lumière visible avec les minéraux.
La théorie corpusculaire (De Broglie, Einstein, 20-21ème siècle) : La lumière est formée d’un
ensemble de particules (photons) traitées chacune individuellement. Cette théorie permet
d’expliquer complètement les interactions de la lumière avec la matière, en particulier l’effet
photoélectrique, mais est lourde à mettre en œuvre pour la plupart des cas. Lorsque le nombre de
photons est grand, cette théorie aboutit statistiquement à la théorie classique des ondes
électromagnétiques.
I.3.2 La lumière, onde électromagnétique
La lumière visible est une onde électromagnétique de la même nature que les rayons X ou les ondes radio.
Elle correspond à la propagation conjointe d’un champ électrique
E
G
et d’un champ magnétique
B
G
. Leur
amplitude varie périodiquement avec une longueur d’onde λ définie par la distance entre deux maxima
successifs.
E
G
et
B
G
sont orthogonaux entre eux et vibrent en phase, c’est à dire que leur amplitude est
maximale en même temps. Ils sont orthogonaux à la direction de propagation de l’onde et, en règle
générale, la direction des champs électrique et magnétique à l’intérieur du plan perpendiculaire à
k
G
varie
au cours de la propagation (polarisation). Les équations de Maxwell reliant l’amplitude du champ
magnétique à celle du champ électrique, la description de la lumière peut donc se faire simplement à
l’aide du champ électrique car le comportement du champ magnétique peut toujours être déduit de celui
du champ électrique. La vitesse v de propagation de l’onde dans le milieu varie avec sa nature.
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I.3.3 Polarisation de la lumière
La polarisation d’une onde électromagnétique décrit la façon dont se modifie la direction de vibration du
champ électrique lorsqu’il se propage. Trois types de polarisation sont importantes pour les études en
microscopie :
Polarisation circulaire : Une O. E. M. a une polarisation circulaire quand l’amplitude de vibration du
champ électrique, dont la direction tourne au cours de la propagation, est constante dans toutes les
directions de vibration.
Polarisation elliptique : Une O. E. M. a une polarisation elliptique quand l’amplitude E du champ
électrique, varie au cours de la propagation selon la direction ω de vibration et prend une forme :
ω
ω
cossin
minmax
EEE
+
=
Polarisation plane : Dans une O. E. M. avec une polarisation plane, le champ électrique ne vibre que
dans une direction, à l’intérieur d’un plan. Ce type de lumière polarisée est utilisé en microscopie car elle
permet d’étudier des propriétés anisotropes des minéraux en amenant la direction de vibration de la
lumière parallèlement à des directions spécifiques du minéral.
D’un point de vue pratique, on produit une lumière polarisée elliptiquement à partir de la lumière
polarisée de façon quelconque produite par une ampoule électrique. La polarisation plane peut être
obtenue par réflexion sur une surface plane ou par transmission à travers un matériau qui ne laisse passer
qu’une direction de vibration (polaroïds) ou réfraction multiple (polariseurs de type « Nicol »). La
lumière utilisée en microscopie par transmission ou réflexion est polarisée rectilignement.
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