Il n'est pas toujours aisé d'étudier à l’œil nu la composition minéralogique et la structure d'une roche. Pour cela, on peut préparer une lame mince (terme uniquement valable en géologie !) de la roche que l'on souhaite étudier et l'observer au microscope optique polarisant. On peut ainsi utiliser les propriétés optiques des minéraux pour les identifier au sein des roches.
> Principe du microscope polarisant
Contrôler le chemin de la lumière...
La lumière est à la fois un phénomène ondulatoire (onde électromagnétique) et corpusculaire (photons) ; on parle en sciences physiques de dualité onde-corpuscule. C'est le phénomène ondulatoire qui nous intéresse ici.
La lumière traverse de manière rectiligne un milieu transparent homogène. En tant qu'onde électromagnétique, elle vibre dans tous les plans perpendiculaires à sa direction de propagation. On peut, grâce à un filtre optique appelé polariseur, contraindre l'onde lumineuse à ne vibrer que dans un seul plan. La lumière obtenue est alors appelée lumière polarisée non analysée (LPNA).
La lumière traverse de manière rectiligne un milieu transparent homogène. En tant qu'onde électromagnétique, elle vibre dans tous les plans perpendiculaires à sa direction de propagation. On peut, grâce à un filtre optique appelé polariseur, contraindre l'onde lumineuse à ne vibrer que dans un seul plan. La lumière obtenue est alors appelée lumière polarisée non analysée (LPNA).
En ajoutant à la suite un second filtre appelé analyseur, sans lame mince entre les deux, on observe que la lumière émise à la source ne nous parvient plus. Cela s'explique par le fait que l'analyseur est placé à 90° du polariseur (les polariseurs sont "croisés"), donc que l'unique plan de vibration de la LPNA n'est pas celui que laisse passer l'analyseur.
...pour mieux voir les minéraux !
En plaçant une lame mince de roche entre le polariseur et l'analyseur, la lumière nous parvient à nouveau et l'on peut voir des formes colorées apparaître ... ce sont les minéraux ! Cette lumière ayant traversant les 2 filtres, on parle de lumière polarisée analysée (LPA).
- Les minéraux opaques, comme les oxydes, ne laissent pas passer la lumière, ils agissent comme un filtre absorbant toutes les longueurs d'ondes de la lumière visible ; il est donc normal qu'on ne les distingue pas au microscope, en LPA comme en LPNA.
- Les minéraux translucides et transparents, qui laissent passer la lumière (un peu ou totalement), agissent comme des systèmes optiques capables de réfracter la lumière, c'est-à-dire de modifier sa trajectoire à l'interface air-minéral. On pourra alors les voir à nouveau au microscope, à condition que la lame soit suffisamment mince pour laisser passer la lumière !
- Les minéraux opaques, comme les oxydes, ne laissent pas passer la lumière, ils agissent comme un filtre absorbant toutes les longueurs d'ondes de la lumière visible ; il est donc normal qu'on ne les distingue pas au microscope, en LPA comme en LPNA.
- Les minéraux translucides et transparents, qui laissent passer la lumière (un peu ou totalement), agissent comme des systèmes optiques capables de réfracter la lumière, c'est-à-dire de modifier sa trajectoire à l'interface air-minéral. On pourra alors les voir à nouveau au microscope, à condition que la lame soit suffisamment mince pour laisser passer la lumière !
Pourquoi certains minéraux sont-ils toujours éteints en LPA ?
Au sein de certains minéraux, la lumière se propage à la même vitesse dans toutes les directions ; ces milieux sont dits isotropes ou monoréfringents. En effet, dans ces milieux homogènes, l'indice de réfraction i est le même dans toutes les directions, or l'indice de réfraction d'un milieu et la vitesse de propagation de la lumière au sein de ce milieu sont liés par la relation :
n = c / v (où c est la célérité de la lumière dans le vide).
L'isotropie concerne tous les minéraux cubiques comme les grenats. Placés entre les 2 filtres, ces minéraux se comportent comme une simple "vitre" et laissent passer la lumière polarisée sans la dévier. Cette lumière sera ensuite filtrée par l'analyseur et on ne verra que des plages sombres à leur emplacement : ils seront toujours éteints en LPA, quelque soit l'angle de la platine du microscope.
Les grenats, visibles en LPNA, sont toujours éteints en LPA.
(Source : https://frenchgeologist.wordpress.com/2014/04/page/2/)
(Source : https://frenchgeologist.wordpress.com/2014/04/page/2/)
Pourquoi les autres présentent-ils des teintes variées ?
Au sein des autres minéraux translucides, un rayon lumineux ne se propage pas de la même manière dans toutes les directions et se divise en deux rayons de vitesses différentes ; ces minéraux sont dits anisotropes. Cette propriété est appelée la biréfringence (double réfraction). Pour certains minéraux, la biréfringence est tellement marquée qu'on peut voir ce phénomène à l’œil nu : c'est le cas de la calcite optique (ou spath d'Islande).
La calcite optique, ou spath d'Islande, un minéral à biréfringence très élevée.
Les minéraux biréfringents ont un indice de réfraction n différent selon la direction empruntée par la lumière ; or comme nous l'avons vu précédemment, il existe un lien direct entre indice de réfraction et vitesse de propagation d'une onde dans un milieu. Les deux rayons lumineux auront donc une vitesse de propagation différente au sein du minéral.
Ainsi, les 2 rayons ne "sortiront" pas du minéral au même moment : l'un aura pris du retard sur l'autre car la durée de son trajet y était plus élevée : le milieu avait dans sa direction un indice de réfraction plus grand. La durée de ce retard est proportionnelle à la biréfringence du minéral : plus un minéral sera biréfringent (c'est-à-dire plus l'écart entre ses 2 indices de réfraction sera élevé), plus l'écart de temps entre la "sortie" des 2 rayons sera grand. Le lien entre biréfringence et retard est donné par la relation R = e x B (où e est l'épaisseur de la lame mince à traverser, et dont la valeur standard est de 30 µm).
Les 2 rayons seront ensuite polarisés sur un même plan de propagation par l'analyseur. La biréfringence variant d'un minéral à l'autre, la durée de ce retard variera proportionnellement et à chaque minéral correspondra une gamme de teintes appelées teintes de polarisation.
Ainsi, les 2 rayons ne "sortiront" pas du minéral au même moment : l'un aura pris du retard sur l'autre car la durée de son trajet y était plus élevée : le milieu avait dans sa direction un indice de réfraction plus grand. La durée de ce retard est proportionnelle à la biréfringence du minéral : plus un minéral sera biréfringent (c'est-à-dire plus l'écart entre ses 2 indices de réfraction sera élevé), plus l'écart de temps entre la "sortie" des 2 rayons sera grand. Le lien entre biréfringence et retard est donné par la relation R = e x B (où e est l'épaisseur de la lame mince à traverser, et dont la valeur standard est de 30 µm).
Les 2 rayons seront ensuite polarisés sur un même plan de propagation par l'analyseur. La biréfringence variant d'un minéral à l'autre, la durée de ce retard variera proportionnellement et à chaque minéral correspondra une gamme de teintes appelées teintes de polarisation.
L'échelles des teintes de Newton, ou échelle de Michel-Lévy.
Elle permet d'associer épaisseur de la lame mince, biréfringence et teintes de polarisation d'un minéral.
Elle permet d'associer épaisseur de la lame mince, biréfringence et teintes de polarisation d'un minéral.
Pourquoi les minéraux biréfringents sont-ils éteints tous les quarts de tour de platine ?
En tournant la platine, on constate que les teintes de polarisation des minéraux biréfringents s'estompent peu à peu tous les quarts de tour, jusqu'à l'extinction totale. Ceci s'explique par le fait que tous les quarts de tour, les directions des deux rayons lumineux issus du minéral sont confondues avec les directions des deux filtres du microscope. Les deux rayons issus du minéral sont donc filtrés par l'analyseur et plus aucune lumière issue de ce minéral ne parvient à l’œil de l'observateur.
Certains minéraux, comme le quartz, présentent une extinction dite roulante ou onduleuse : la section du minéral n'est jamais totalement éteinte. Cette caractéristique est un critère de détermination précieux !
Certains minéraux, comme le quartz, présentent une extinction dite roulante ou onduleuse : la section du minéral n'est jamais totalement éteinte. Cette caractéristique est un critère de détermination précieux !
> Utilisation du microscope polarisant
Le microscope optique polarisant comprend donc successivement, de bas en haut :
(1) Une source lumineuse (lampe ou miroir) (2) Un polariseur fixe (filtre n°1) (3) Une platine tournante sur laquelle on dispose la lame mince de l'échantillon à étudier (4) Des objectifs de divers grossissements (lentille convergente 1) (5) Un analyseur amovible (filtre n°2 orienté à 90° du polariseur) (6) Un oculaire (lentille convergente 2) où l'observateur place son œil. Il s'utilise comme le microscope optique, avec précaution, en observant toujours au plus faible grossissement pour faire les réglages importants (vis macrométrique) puis on grossit davantage si nécessaire, en effectuant les réglages mineurs à l'aide de la vis micrométrique. On commence toujours l'observation et la description en LPNA (sans l'analyseur), puis on le met en place (LPA). |
> Fabrication des lames minces
Immersion dans les coulisses d'un laboratoire de lithopréparation :