Le microscope optique d’hier et d’aujourd’hui
Pour identifier des minéraux au microscope optique, les minéralogistes utilisent l’interaction de la lumière avec la matière qui dépend de la nature des minéraux (cristallographie, composition chimique, etc.).
Pour rendre les minéraux transparents et donc observables, les échantillons sont collés sur des lames de verre et amincis à une épaisseur de seulement 30 micromètres.
La technique date du 19ème siècle. C’est le physicien français Étienne Louis Malus qui découvre en 1808 les processus de la réfraction et la polarisation de la lumière. Deux décennies plus tard, William Nicol, un physicien écossais, invente un prisme qui permet de polariser la lumière. Cet élément fera partie du microscope du minéralogiste pendant plus de 100 ans.
Ensuite, les prismes Nicol ont été remplacés par des filtres polarisants moins coûteux. Le premier microscope polarisant complet a été construit par le mathématicien et microscopiste italien Giovanni Battista Amici en 1830. C’est le mécanicien allemand Rudolf Fuess qui construisit le premier microscope à polarisation spécifiquement dédié à la minéralogie et la pétrographie en 1875.
Même si il s’agit d’une technique ancienne, la microscopie optique reste encore la première étape lors d’une étude minéralogique. La microscopie électronique est utilisée en second temps pour les échantillons nécessitant des observations à plus forts grossissements.
En lumière naturelle (polarisée), le grenat au centre transmet la lumière et les glaucophanes qui l’entourent ont une couleur bleue caractéristique.
En lumière polarisée-analysée, le grenat « s’éteint » ce qui démontre sa structure cubique. Autour, les glaucophanes ont des couleurs variées qui découlent de différences d’orientation cristallographique.
La lumière polarisée-analysée sert aussi à identifier les processus physiques qui ont lieu dans la Terre. Les bandes allant du bleu clair au bleu sombre dans le grain d’olivine, au centre de l’image, sont la conséquence de variations d’orientation cristallographique pour accommoder la déformation.
Échantillon de troctolite, roche issue d’un forage océanique en Atlantique. On trouve aussi des troctolites sur la lune, notamment sur le site d’alunissage d’Apollo 17.
Microscope électronique à balayage
Pour observer des échantillons avec une résolution inférieure au micromètre (1 µm = 1 m / 1 000 000), le microscope optique n’est plus adapté. On utilise alors le microscope électronique à balayage où les échantillons sont éclairés non plus par de la lumière, mais par des électrons. Le premier microscope électronique a été développé en 1933 par le physicien allemand Ernst Ruska, ce qui lui valut le prix Nobel de physique en 1986.
Cristaux d’alunite prélevés (sulfate de potassium hydraté) au Ravin de la Craie dans le Sancy, sur le site d’une ancienne tentative d’exploitation minière. L’alunite (alun en langage courant) était utilisée en grande quantité pour le tannage dans l’industrie du cuir.
Microscope électronique à balayage avec canon à ions
Les microscopes électroniques à balayage de dernière génération ont des résolutions encore améliorées, nanométriques (1 nm = 1 m / 1 000 000 000). Ils peuvent aussi produire des images en 3 dimensions lorsqu’ils sont équipés, en plus du canon à électrons, d’un canon à ions qui bombarde et abrase la surface des échantillons minéralogiques.
Cette roche a été éjectée lors de l’éruption du volcan Hekla (Islande) en 1970. Elle est composée de cristaux micrométriques à nanométriques inclus dans une matrice vitreuse.
Cristaux collectés lors de l’éruption volcanique de la Palma en 2021 (les couleurs indiquent des compositions chimiques différentes).
Image 3D du réseau de magma dans une roche partiellement fondue dans les conditions du manteau terrestre, à 100 km de profondeur (expérience à 1050 °C et 3 gigapascal).
Microscope électronique en transmission
Le microscope électronique en transmission (extérieur à gauche et intérieur à droite) possède la meilleure résolution. Ici le faisceau d’électrons traverse l’échantillon qui doit être aminci à quelques dizaines de nanomètres au préalable. La résolution atteint alors l’échelle de l’atome.
Intersection de rangées atomiques entre deux cristaux d’olivine après une expérience à une température de 1100 °C, une pression de 0,3 gigapascal et une contrainte déviatorique de 2 kilonewton.
