Pr. Salah Bouhlel
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III - Les Propriétés des Minéraux En Lumière Refléchie

 

Nous allons maintenant passer en revue les principales propriétés des minéraux opaques étudiables au microscope polarisant à lumière réfléchie.

 

Contrairement à ce qui se passe lors de l'étude des minéraux transparents en lumière transmise, il ne sera, ici, pratiquement pas question de mesures. L'étude se fera à peu près uniquement sur des bases plus ou moins subjectives, par comparaison des préparations observées avec des minéraux de référence. Le praticien de la microscopie des minéraux opaques doit donc, outre une grande habitude, avoir un sens de l'observation très développé. En effet, seul un ensemble de critères obtenus par comparaison, et tous convergents, permettra de mettre un nom sur un minéral.

 

Nous examinerons successivement les propriétés des minéraux opaques observables en lumière naturelle[1] , puis en lumière polarisée.

 

1 - OBSERVATIONS EN LUMIERE NATURELLE

 

1.1 - LE POUVOIR REFLECTEUR

 

C'est la pourcentage de lumière incidente réfléchie par l'objet étudié. Pour les minéraux susceptibles d'être étudiés par réflexion, ce pouvoir réflecteur varie de 3 (fluorite) à 85 (argent natif).

 

Dans le cas des minéraux transparents (la majorité des minéraux de gangue), le pouvoir réflecteur peut être calculé à partir de l'indice de réfraction n du minéral.

 

PR = (n-1/n+1)2

 

n étant l'indice du minéral pour une longueur d'onde donnée.

 

Bien que le pouvoir réflecteur, que nous indiquerons ci- dessous par PR, soit pratiquement la seule propriétés des minéraux examinés en lumière réfléchie que l'on puisse mesurer assez facilement, on se contente, dans la pratique, de l'apprécier à l'oeil. Pour ce faire, il est nécessaire de disposer d'échantillons de référence, de PR connu, échantillons que l'on fait alterner le plus rapidement possible sous le microscope avec le minéral que l'on cherche à déterminer. L'impression de plus ou moins grande brillance perçue par l'oeil permettra alors de dire si le minéral étudié est plus (ou moins) réfléchissant que le minéral-étalon utilisé. Par approximations successives, on arrivera ainsi à une appréciation suffisamment fine du PR du minéral étudié.

 

On utilise fréquemment, pour les comparaisons de PR des sections polies fabriquées spécialement et groupant 3 ou 4 (ou plus) plages monominérales. Les minéraux utilisés étant choisis en fonction de la constance de leur PR, qui ne sera affecté ni par un pléochoïsme visible (voir p.14) ni par l'influence d'une variation même légère de la composition chimique du minéral. Un montage classique regroupe ainsi sur une même section polie : mispickel (PR=52), galène (43), tétraédrite (31), blende (17). On peut évidemment, en fonction de besoins particuliers, imaginer d'autres combinaisons.

 

Il convient de noter que l'appréciation à l'oeil des pouvoirs réflecteurs est d'autant plus facile que les pouvoirs réflecteurs considérés sont bas. Ceci est parfaitement conforme a la loi de Weber-Fechner, selon laquelle la perception sensorielle est une fonction logarithmique de l'excitation. S'il est facile d'apprécier une différence de PR de moins de 1% pour les PR inférieurs à 10, une différence de PR de 3-4%, au delà de PR de l'ordre de 50, passe facilement inaperçue pour un observateur mal entraîné.

 

Une autre difficulté d'appréciation, elle aussi d'ordre physiologique, tient au fait qu'il faut faire, autant que possible, abstraction de la couleur propre du minéral considéré. En effet, la sensibilité de l'oeil aux différentes longueurs d'onde de la lumière visible n'est pas constante, et l'on aura, par exemple, tendance à surévaluer le PR d'un minéral jaune, et sous-évaluer celui d'un minéral rouge violacé.

 

Enfin, il est particulièrement délicat d'évaluer le PR de minéraux de petite taille, n'occupant qu'une faible partie du champ du microscope. En effet, non seulement il est beaucoup plus facile de retrouver rapidement des minéraux abondants et en gros cristaux lorsqu'il est nécessaire de procéder à des comparaisons de PR par la méthode indiquée ci-dessus, mais  l'oeil est fortement influencé par le PR du ou des minéraux renfermant le minéral étudié, et l'appréciation du PR de celui-ci fortement faussé. On peut, dans une certaine mesure, limiter l'influence de l'environnement en utilisant le diaphragme oculaire du microscope, si celui-ci en est équipé. Sinon, on obtient sensiblement le même résultat en éloignant l'oeil de l'oculaire, de façon à ne voir plus que le centre du champ.

 

1.2 - LA COULEUR DES MINERAUX

 

Un certain nombre de minéraux présentent en lumière réfléchie une coloration très nette. Celle-ci représente alors un excellent élément de détermination.

 

Malheureusement, dans le cas le plus courant, les minéraux observés sont pratiquement incolores, leur teinte variant alors du gris sombre au blanc brillant en fonction de leur PR. Seules seront perceptibles de très faibles nuances bleutées, vertes, jaunâtres, etc.

 

L'appréciation de telles nuances est souvent délicate, car dépendant de nombreux facteurs tels que :

 

- La sensibilité plus ou moins grande de l'oeil de l'observateur à telle ou telle longueur d'onde, et, partant, à telle ou telle couleur.

 

- La température de couleur de la lampe du microscope. Dans le cas de lampe de température de couleur très élevée (tube au xénon par exemple), les couleurs très faibles seront décalées vers le bleu.

 

- Les caractéristiques de l'optique du microscope. Deux microscopes de même marque, même type, équipés d'éclairage et d'optique rigoureusement identiques donneront parfois des impressions de couleur différentes. Il est donc important de travailler toujours dans la mesure du possible sur le même matériel, et de même pour un utilisateur particulièrement averti et entraîné. - L'influence des minéraux entourant le minéral étudié, ci celui-ci est de petite taille. Une inclusion pratiquement incolore, dans un minéral fortement coloré, tendra, pour l'oeil vers une teinte proche de la couleur complémentaire du minéral coloré. Il faudra alors, pour avoir une appréciation acceptable de la couleur, recourir aux artifices qui ont été exposés à propos du pouvoir réflecteur (utilisation du diaphragme oculaire, par exemple).

 

Dans tous les cas, il est indispensable de procéder à l'examen de la couleur des minéraux sur des sections polies soit fraîchement préparées, soit légèrement repolies au diamant 1/4 de micron ou à l'oxyde de chrome. En effet, un certain nombre de minéraux (en particulier cuprifères et argentifères) s'altèrent rapidement en surface, avec apparition de teintes irisées caractéristiques ou se ternissent, voire changent de couleur (par exemple la bornite brun-rose si fraîchement polie, devenant brune ou violette en quelques jours).

 

1.3 - LE PLEOCHROISME

 

C'est la variation de couleur et/ou de pouvoir réflecteur que présentent certains minéraux en fonctions de l'orientation de leurs directions cristallographiques par rapport au plan de polarisation de la lumière du microscope.

 

Peu de minéraux courants présentent un pléochroïsme très fort. Citons la covellite (blanc-bleuté à bleu, (PR de 23 à , la stibine (47-30), la molybdénite (42-19), le graphite (20 à , les carbonates.

 

Le plus souvent, lorsque le pléochroïsme existe, il est beaucoup plus discret et, le plus souvent, n'est décelable qu'au contact de deux cristaux d'orientations cristallographiques différentes, où il devient visible par contraste.

 

En règle générale, l'utilisation d'objectifs à immersion rend plus visible le pléochroïsme s'il existe.

 

1.4 - LA DURETE

 

Il est exceptionnel qu'une section polie soit monominérale. Vont donc s'y rencontrer simultanément des minéraux de dureté différente. Lors du polissage, les minéraux les plus durs auront tendance à rester en relief, et les plus tendres à se creuser, et ce plus ou moins en fonction du revêtement du plateau de polissage. Un plateau en plomb, tel qu'il en existe sur certaines machines à polir (machines Dupierreux par exemple) ne donnera pratiquement aucun relief. Un polissage un peu plus prolongé au drap de billard, au contraire, l'accentuera au-delà des limites tolérables, et un juste milieu sera donc à rechercher.

 

Quand un minéral dur se trouve au contact d'un minéral tendre, on passera de l'un à l'autre par une surface non pas verticale mais inclinée qui réfléchira donc la lumière incidente latéralement. Le minéral le plus dur apparaîtra donc bordé d'une frange noire, elle-même bordée d'une liseré brillant correspondant aux réflexions sur le plan de raccordement des deux minéraux. En modifiant la mise au point du microscope, ce liseré brillant semblera se déplacer vers le minéral le plus tendre si on éloigne l'échantillon de l'objectif et inversement. On a ainsi un excellent critère pour juger de la dureté relative de deux minéraux, mais pour que cette observation soit réalisable, il faut que la section polie ait un très  fort relief, ce qui  n'est généralement pas le cas. D'ailleurs, si le relief est suffisant, et on observant à fort grossissement (donc en utilisant des objectifs dont la profondeur de champ est insignifiante), il sera matériellement impossible de mettre au point à la fois sur le minéral tendre et sur le minéral dur.

 

Un autre élément de comparaison des duretés relatives est fourni par l'existence de rayures, présentes même sur les polissages de très bonne qualité. Ces rayures, le cas échéant, s'arrêteront, ou diminueront de largeur, en passant dans un minéral plus dur.

 

On peut enfin, à condition de disposer du matériel nécessaire, tester la dureté des minéraux par la méthode Vickers. cela consiste à enfoncer à l'aide d'une charge connue une pointe dure de forme standard dans le minéral et à mesurer la dimension de l'empreinte obtenue. L'outil utilisé, généralement en diamant, est une pyramide à base carrée, dont l'angle des arrêtes est de 136°.

 

Malgré les imprécisions inhérentes à la méthode, et dues essentiellement à l'erreur de mesure affectant la dimension de l'empreinte de l'outil, ainsi qu'à l’anisotropie de dureté de nombreux minéraux. Cette méthode n'est pas à négliger car la dureté est, avec le pouvoir réflecteur, la seule propriété des minéraux observés en sections polies qui puisse fournir une donnée objective et indépendante des minéraux environnants, bien que dans le cas de la dureté il ne s'agisse pas d'une mesure au sens strict du terme.

 

Dureté Vickers et dureté de Mohs (cette dernière plus familière aux minéralogistes) sont liées par la relation suivante (Hv = dureté Vickers, Hm = dureté Mohs).

 

Hm = 0,73 vHv                  (racine carré Hv)

 

 

1.5 - CLIVAGES ET PARTICULARITES DE POLISSAGE

 

Un certain nombre de minéraux présentent des clivages suffisamment nets pour que leur existence soit décelable en section polie. Selon que les clivages sont plus ou moins faciles, la trace des plans de clivages sera marquée par des fissures rectilignes, ou par des courtes fissures parallèles, disposées en échelon, voire par de simples arrachements se produisants le long du clivage. Si plusieurs directions de clivages existent dans le même minéral, il peut se produire, à l'intersection de celles-ci, des arrachements triangulaires, ce qui est, par exemple, classique dans le cas de la galène.

 

Certaines particularités de polissage sont liées directement à la dureté du minéral. Ainsi les rayures, fines et serrées, des minéraux très tendres (argent natif), les minéraux durs ayant souvent une surface parsemée de trous (pyrite).

 

Enfin, dans le cas de minéraux très tendres possédant également un clivage facile, il peut se produire, sur des polissages mal exécutés, un écrouissage superficiel masquant l'anisotropie (graphite).

 

2 - Examens en lumière polarisée

 

2.1 - L'anisotropie

 

En principe, les minéraux appartenant au système cubique et eux seuls sont isotropes. On rencontre toutefois des minéraux cubiques anisotropes (toujours faiblement d'ailleurs), pour des raisons diverses allant de la présence dans le réseau d'éléments normalement absents induisant une déformation de celui-ci (magnétites titanifères, pyrites arsenifères, par exemple), à des phénomènes d'écrouissage superficiel (artefacts de polissage), ce qui semble être le cas de la pyrite, minéral cubique qui polarise presque toujours faiblement.

 

De même, on peut rencontrer par hasard des sections de minéraux normalement anisotropes, ne polarisant pas du fait de leur orientation cristallographique, par exemple des sections basales de minéraux quadratiques ou hexagonaux.

 

Il n'existe aucune relation simple entre les constantes optiques d'un minéral et ses teintes de polarisation en lumière réfléchie. Contrairement à ce qui s'observe en lumière transmise, il n'y a généralement pas de position d'extinction, sauf pour certains minéraux aciculaires qui peuvent d'ailleurs n'avoir que deux positions d'extinction pour un tour complet de la platine du microscope. Le plus souvent, il y a simplement passage brutal d'une couleur à une autre pouvant être totalement différente, sans qu'il y ait à proprement parler extinction. On passera ainsi, par exemple, d'un bleu-vert à un brun-rougeâtre chaque couleur apparaissant deux fois pour une rotation de la latine de 360°. On définit alors la polarisation du minéral par les deux teintes extrêmes ou par la teinte la plus frappante.

 

Tous les minéraux n'ont pas une polarisation colorée. Certains ne marquent leur caractère anisotrope que par la variation de leur luminosité apparente en lumière polarisée.

Les teintes de polarisations observées, ainsi que l'intensité des effets de polarisation, varient considérablement, pour une même plage, selon les conditions dans lesquelles est faite l'observation. Les effets de polarisation seront d'autant plus évidents que l'on utilisera un objectif de plus faible grossissement. A partir d'un objectif 45 il devient difficile, sinon impossible, de distinguer la polarisation, et dans les meilleurs cas, si on peut se rendre compte que le minéral est anisotrope, les teintes de polarisations seront tellement "lavées" que l'on sera dans l'impossibilité de les définir. L'usage de lampes très puissantes (plus de 100W), renforce la polarisation, en modifiant parfois les teintes extrêmes.

 

Enfin, les anisotropie très faibles seront généralement mieux visibles si l'on prend la précaution de décroiser légèrement les polaroïdes du microscope. Ce réglage a toutefois l'inconvénient de modifier légèrement les teintes de polarisation.

 

Il n'y aura donc d'autre solution que de se "faire l'oeil" sur le matériel optique avec lequel on devra travailler, et d'utiliser systématiquement, pour apprécier les effets de polarisation, un objectif de grossissement moyen (x15 à x30).

 

2.2 - LES réflexions internes

 

Egalement connues sous le nom de "lumière diffuse", les réflexions internes n'existent que dans les minéraux transparents ou semi-transparents à pouvoir réflecteur inférieur à 35. Ces réflexions internes sont, en effet, dues à la réflexion à l'intérieur du cristal d'une partie de la lumière incidente non réfléchie par la surface de celui-ci. Les réflexions internes existent bien évidement tant en lumière naturelle qu'en  lumière polarisée. Mais on les observes uniquement en lumière polarisée, car en lumière naturelle elles sont le plus généralement masquées par l'éclairement général du champ. Une faible partie de la lumière incidente pénétrant alors dans le cristal est ensuite réfléchie à l'intérieur de celui-ci par des fissures, plans de clivages, inclusions, etc. et peut ainsi être captée par l'objectif du microscope sous forme de réflexions internes.

 

On reconnaît les réflexions internes à leurs teintes vives, franches, à leur aspect "transparent" et à leurs formes diffuses, floconneuses. Leurs couleurs sont très variables et caractéristiques du minéral leur ayant donné naissance. Leur couleur correspond en effet à la couleur de poussière du minéral, c'est-à-dire la couleur du minéral finement broyé, ou à la couleur du trait que laisse le minéral lorsqu'on le frotte sur une surface blanche dure et rugueuse (biscuit de porcelaine, par exemple).

 

Outre la couleur, l'abondance des réflexions internes est, elle aussi, caractéristique. Dans le cas de minéraux transparents (minéraux de gangue, rutile, sphène, etc.) elles envahissent la totalité du minéral (réflexions internes généralisées), mais dans le cas de minéraux semi-transparents (nombre de sulfosels entre autres) elles seront rares, et localisées le plus souvent aux endroits présentant des défauts de polissage.

 

Pour rechercher les éventuelles réflexions internes d'un minéral n'en laissant que peu apparaître, il est nécessaire de travailler à fort grossissement.

 

Lorsque les réflexions internes sont très abondantes, elles peuvent arriver à masquer parfois complètement l'éventuelle anisotropie du minéral. On mettra toutefois cette dernière en évidence en décroisant légèrement les polaroïdes, ce qui affaiblit considérablement les réflexions internes sans pour autant faire disparaître complètement l'anisotropie.


2.3 - Les macles

 

Un certain nombre de minéraux présentant plus ou moins systématiquement des macles, l'observation de celles-ci constitue un élément de détermination non négligeable.

 

Dans le cas de minéraux anisotropes, on décèlera facilement les macles en lumière polarisée, l'orientation cristallographique de chaque individu de la macle étant différente par rapport aux plans de polarisation du microscope. dans le cas de minéraux présentant un très fort pléochroïsme, les macles seront même visibles, grâce à celui-ci, en lumière naturelle.

 

Certains minéraux tendres, non maclés à l'état naturel, présentent après polissage des macles polysynthétiques induites par les effets de torsion et la pression exercée sur le minéral lors du polissage. Ces macles sont dites "macles mécaniques" ou "macles de pression".

 

Dans le cas de minéraux isotropes, si le maclage est sans influence sur la forme externe du minéral on devra recourir pour les mettre en évidence à une attaque de structure appropriée.

 

 

 

2.3 Les réactions d'attaque

 

On profite parfois du fait que la surface des sections polies est libre pour procéder à des essais de corrosion ou de coloration, par voie chimique ou physique. Ces essais peuvent avoir pour but soit de donner un critère de détermination supplémentaire, soit de faire apparaître la structure d'agrégats polycristallins, si ceux-ci sont constitués par un matériel isotrope.

 

L'utilisation de telles réactions à des fins de détermination est, dans la mesure du possible, à proscrire, sauf en ce qui concerne les attaques par voie physique. Les réactifs chimiques utilisés endommagent en effet sérieusement les sections polies, et, chose plus grave, risquant, si l'opérateur est peu soigneux ou négligent, d'endommager aussi le microscope. Les réactifs le plus souvent utilisés sont en effet les acides acétique, chlorhydrique, nitrique et sulfurique à différentes dilutions, permanganate de potasse + acide sulfurique, acide nitrique + alcool éthylique ("réactif de Fackert" à préparer au moment de l'emploi ), le cyanure de potassium (toxique extrêmement violent) en solution aqueuse.

 

On procède en déposant sur la section polie, préalablement retirée du microscope, une goutte de réactif approprié au moyen d'une baguette de verre ou d'un compte-gouttes capillaire. On laisse agir le réactif (de quelques secondes à 2 mn environ), puis on pompe le réactif au moyen d'un morceau de buvard ou de papier Joseph (qui ne manquera pas de s'enflammer au contact du mélange KMnO4+H2SO4).

 

Si l'attaque a été positive, le minéral testé sera plus ou moins fortement corrodé, ce qui se traduira au microscope par la disparition du poli ou par la présence d'une cavité.

 

Dans le cas d'attaque chimique visant à faire apparaître la structure (zonation des cristaux, joints intergranulaires, etc.) l'attaque devra être suffisamment brève pour seulement souligner les particularités à mettre en évidence.

 

Enfin, signalons l'existence de minéraux se ternissant ou changeant de couleur de façon spontanée au contact de l'air. C'est, entre autres, le cas du bismuth et d'un certain nombre de minéraux cuprifères (chalcopyrite, bornite). Cette altération à l'air fournit parfois un excellent critère de détermination. Ainsi c'est elle qui permet par exemple de distinguer la germanite (inaltérable) de la bornite (changement de teinte du rose au violacé en quelques jours).

 

2.4 - Les artefacts de polissage

 

L'étudiant doit se garder de confondre un certain nombre artefacts de polissage avec des minéraux dont la détermination s'impose.

 

- Des plages noires en lumière naturelle ne sont pas des minéraux mais des trous provenant du jeu de clivages ou de l'arrachement d'inclusions.

 

- Des réflexions internes vertes intenses correspondent le plus souvent à des dépôts d'oxyde de chrome dans des cavités. Les minéraux présentant de telles réflexions sont rares, et en lumière naturelle ils apparaissent avec leur PR propre, alors que les dépôts d'oxyde de chrome correspondent à des trous (voir ci- dessus).

 

- On observe parfois des placages jaune laiton, très réfléchissants (PR  70), faciles à confondre avec l'or, et qui ne sont autre que des fragments de laiton ou de bronze arrachée aux outils servant à la confection des sections polies (chapes de scies diamantées en particulier).

 

Des fragments d'aluminium arrachés au revêtement des plateaux de polissage peuvent être confondus avec l'argent natif, mais ce dernier est moins blanc, et se ternit à l'air.

 

- Les résines synthétiques utilisées pour l'enrobage et la consolidation des sections se reconnaissent à leur très bas pouvoir réflecteur, leur poli parfait, leur faible dureté, leurs réflexions internes généralisées; en cas d'hésitation, on peut comparer avec l'enrobage de l'échantillon lui-même, stratyl et araldite ayant sensiblement les mêmes propriétés optiques.

 

 



[1]Comme dans le cas du microscope polarisant en lumière transmise, "lumière naturelle" signifie en fait "lumière polarisée" et "lumière polarisée" égale "lumière polarisée analysée".

 

Liste des cours disponibles  
  1) Minéralogie Générale (IGS3)

2) Gîtes Minéraux (Gîtes météllifères et Métallogénie) (ST3 RME ET IGS4

4) Géochimie des isotopes stables S1 du M1 (= géochimie Isotopique II dans le programme affiché)

5) Substances Utiles (industriel minerals) et ressources énergétiques pour LAGTE2 (en construction)

6) Atlas des minéraux des minerais (LAGTE2, ST3, IGS4)

7) Atlas métallographie sous miccroscope à lumière réfléchie (ST3 RME, IGS4 et autres...)

8) Inclusions fluides pour la métallogénie et la géologie des bassins sédimentaires et des réservoirs (ST3 RME, IGS 4 et MASTERS ST)


 
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