Comment identifier un minéral ? - Partie 2

Introduction :

Comme vu précédemment, bien que les critères de reconnaissance soient nombreux il n'est pas toujours facile d'identifier un minéral surtout quand celui-ci est petit. Nous allons traiter ici les principales méthodes d'identification modernes.

Le microscope électronique à balayage (MEB) :

C'est sans doute l'outil favoris des micromonteurs, c'est un appareil qui est capable de produire des images haute résolution de la surface d'un échantillon en utilisant une source d'électrons. Un canon à électrons bombarde l'échantillon qui en réponse ré-émet des particules qui peuvent être analysées par différents détecteurs :




Détecteur d'électrons secondaires (GSE) :

Il permet d'avoir une image noir et blanc de la surface de l'échantillon. Ceci permet d'apprécier la morphologie de cristaux, même très petits ! Ci-contre un exemple d'image de cristaux impossible à identifier à la loupe binoculaire car trop petits.

Détecteurs d'électrons rétrodiffusés :

La quantité d'électrons capturés par les atomes rencontrés et donc la quantité d'électrons rétrodiffusés qui ressortent de l'échantillon dépend de la nature chimique des couches de matière traversées. Le taux d'émission électronique augmente avec le numéro atomique. On obtient donc un contraste chimique, les zones contenant des atomes légers apparaissent en plus sombre que les zones qui contiennent des éléments lourds. Il est à noter que pour être vraiment intéressante cette technique est utilisée la plupart du temps sur des sections polie de roche ou minéraux.

Diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD) :

L'EBSD donne une image du réseau cristallin. Il permet de caractériser la structure atomique d'un minéral mais aussi de voir l'orientation des cristaux et donc d'éventuelles épitaxies, épigénies, etc...

Analyse élémentaire par spectrométrie de rayons X (détecteur EDS):

L'énergie des rayons X émis lors de la désexcitation des atomes bombardés par le canon à électrons dépend de leur nature chimique. En analysant le spectre des rayons X, on peut avoir une analyse élémentaire, c'est-à-dire savoir quels types d'atomes sont présents dans l'échantillon et en quelle quantité. Le faisceau balayant l'échantillon, on peut même dresser une cartographie chimique, avec toutefois une résolution très inférieure à l'image en électrons secondaires.

Le MEB permet de faire de l'identification ponctuelle de manière efficace et rapide. Les échantillons peuvent être analysés bruts, sans préparation préalable. Il est possible d'étudier de gros échantillons de plus de 20 cm. L'appareil avec tous les détecteurs mentionnés ci-dessus coûte un peu plus de 300 000€, une heure d'analyses assistée est facturée entre 50€ et 80€. Au cours des dernières années on a assisté à l'apparition de MEB dits "de table" à prix plus intéressants (autour de 50 000€), ils sont plus limités que les MEB classique, leur sas à échantillon est beaucoup plus petit, mais il n'en reste néanmoins pas moins intéressants pour autant !

Le MEB ne permet par contre que d'analyser les éléments majeurs d'un échantillon de manière non destructive. Les résultats obtenues ne sont pas jugés assez "précis" pour être publiés dans les revues scientifiques.

La microsonde électronique :

Elle consiste à bombarder un échantillon avec des électrons et à analyser le spectre des rayons X émis par l'échantillon sous cette sollicitation. Les rayons X sont diffractés sur un cristal et analysés par un détecteur WDS (différent de l'EDS du MEB).

Selon le nombre de cristaux de diffraction équipés sur la machine ont peut analyser jusqu'à 4 éléments chimiques en même temps. Cela nécessite de connaître quels sont les éléments chimiques à analyser et de jongler avec les cristaux de diffraction, puisque qu'un cristal ne permet pas l'analyse de tous les éléments chimiques du tableau périodique. Il est donc indispensable au préalable d'avoir déjà analysé les spécimens au MEB. Les échantillons analysés doivent être polis et métallisés (enduits d'une fine couche de carbone au moyen d'un métalliseur). On peut se demander quel est l'avantage de cette machine par rapport au MEB, et bien c'est la précision ! La microsonde permet des analyses quantitatives ponctuelles précises en éléments majeurs mais aussi des éléments traces (contenus en très faible quantité dans le minéral) de très petits objets. Les résultats se présentent sous la forme de tableaux de chiffres.

Les résultats d'analyses sonde sont précis et publiables. L'appareil coûte autour de 700 000€. Les analyses sont longues à mettre en place et chères. Elles nécessitent une bonne connaissance de l'échantillon et sont partiellement destructives dans le sens ou l'on doit préparer le spécimen.

La diffraction de rayons X (DRX) :

Le principe est de bombarder un échantillon avec des rayons X qui sont déviés par la structure cristalline du minéral.

On prépare l'échantillon sous la forme d'une poudre aplanie dans une coupelle, ou bien sous la forme d'une plaquette solide plate. On envoie des rayons X sur cet échantillon, et un détecteur fait le tour de l'échantillon pour mesurer l'intensité des rayons X selon la direction. Pour des raisons pratiques, on fait tourner l'échantillon en même temps, ou éventuellement on fait tourner le tube produisant les rayons X.

Les appareils modernes identifient le minéral ou les minéraux si c'est mélange à partir d'une base de données. Le spectre coûte 30€.

Le microscope électronique en transmission (MET) :

Il fonctionne sur le même principe que le MEB sauf que le faisceau d'électrons est « transmis » à travers un échantillon très mince. Cet appareil permet des analyses ponctuelles fines et précises mais surtout d'avoir ponctuellement des informations sur la structure cristalline du minéral ! Ci-contre un cliché de diffraction d'un phyllosilicates d'une veine de pseudotachylite.

Il nécessite une préparation lourde mais aussi la destruction des échantillons. Soit le minéral doit être réduit en poudre soit il doit subir un amincissement ionique.

Le Raman :

La spectroscopie Raman est non destructive, elle permet de caractériser les minéraux et même mieux : leurs inclusions !

On envoie un faisceau de lumière monochromatique (laser) sur l'échantillon à étudier et la lumière diffusée est analysée après avoir été recueillie par une autre lentille et envoyée dans un monochromateur permettant de mesurer son intensité grace à un détecteur.

La microspectroscopie Raman ou micro-Raman est une technique de mesure en microscopie : en focalisant le faisceau laser sur une petite partie du milieu, on peut sonder les propriétés de ce milieu sur un volume de quelques µm3.

Les identifications par ce moyen sont réalisées par comparaison de spectres de minéraux connus.

Conclusion :

Ces différents moyens d'analyses modernes permettent aujourd'hui d'apporter des certitudes quand aux identifications de cristaux. Et c'est aussi ce qui permet aux collectionneurs de micro-minéraux de donner des noms précis aux fruits de leurs trouvailles.

  Références :

  • Wikipédia

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