ANALYSE CHIMIQUE DES MINÉRAUX DANS UNE LAME MINCE DE ROCHE : LA MICROSONDE ELECTRONIQUE

• Cette technique a le grand avantage de ne pas détruire les minéraux et donc de préserver la structure de la roche, contrairement au broyage classique indispensable pour une analyse chimique de roche totale.
  L’appareil utilisé est un microanalyseur à sonde électronique CAMEBAX SX50 (Photo 1). Il comprend une colonne de moins de 1m de haut, entourée de 5 détecteurs, les spectromètres, pilotés par ordinateur, avec visualisation sur écran vidéo des échantillons étudiés au microscope.
• Les lames minces de roche doivent subir un polissage très poussé de manière à obtenir une surface parfaitement plane. Celle-ci est enduite d’un film de carbone, par vaporisation sous vide, afin de la rendre conductrice aux électrons ce qui permet leur pénétration.
• La lame mince est placée sur un support (platine) et est introduite par l’intermédiaire d’un tiroir dans la colonne dans laquelle on fait le vide. Au sommet de la colonne, un filament de tungstène chauffé émet des électrons qui sont accélérés sous des tensions de 1 à 150 kV. Le faisceau d'électrons frappe la surface de l'échantillon en un point précis dans un volume inférieur à 2µm³. Les atomes de la zone étudiée sont excités et répondent par l'émission d'un rayonnement X. La longueur d'onde de chaque rayonnement est caractéristique de l'atome émetteur ; les spectromètres récupèrent et caractérisent les rayonnements produits (Photo 2).
• Après traitement informatique, on connaît la teneur en oxydes (%) des éléments chimiques présents dans les 2 µm³ analysés. Tous les éléments (avec un numéro atomique supérieur ou égal à 5) peuvent être analysés si leur concentration est au moins égale à 0,01%.
• Une caméra vidéo, portée par un microscope optique, donne une image de la lame mince pendant l'analyse (Photo 1 et document 1) et permet de visualiser les points de mesure dans les minéraux. Il est également possible de programmer la microsonde pour effectuer des traversées automatiques (une analyse tous les 5µm par exemple), le processus analytique est piloté par ordinateur.

Document 1 : LA TELEVISION MINERALE

Ecran avec visualisation d'une lame mince d'amphibolite des Tauern, Autriche (X400)

Stage = platine orientable commandée manuellement par 3 verniers. Les chiffres sous Y, Y et Z, figurent les coordonnées du point de mesure. - -  Le tir d'électrons se fait entre les deux traits rouges. X : abscisse Y : ordonnée Z : Perpendiculaire au plan XY de la lame mince

Les quatre rectangles en bas de l'écran correspondent aux quatre spectromètres, fonctionnant pour l'analyse considérée, sur les cinq disposés autour de la colonne centrale. Chaque spectromètre est réglé pour un certain nombre d'éléments chimiques dont la nature apparaît, dans le rectangle correspondant, au moment de la mesure. L'importance relative de l'élément est visualisée par une colonne verticale plus ou moins haute. E.2 : gain (facteur d'amplification du signal émis, ici X2). LIF, PET, TAP : Abréviations désignant les systèmes de détection des spectromètres, par exemple : LIF = Lithium fluorure.

EXPLOITATION DES RÉSULTATS : LA THERMOBAROMÉTRIE

• L'analyse à la microsonde des minéraux d'une lame de roche ne doit être envisagée qu'après l'étude de celle-ci au microscope polarisant classique. Cette étude permet d'établir une chronologie relative des relations entre les cristallisations et les déformations afin de dresser un catalogue des minéraux qui se sont formés ensemble au même moment (minéraux à l'équilibre = minéraux cogénétiques) Complément 1.L'analyse est faite au sein des minéraux, de composition chimique variable, point par point, du cœur à la périphérie,selon un pas qui dépend de la taille du minéral Complément 2.

• Résultats d'analyses.
  Les résultats obtenus après analyse sont exprimés en % de poids d'oxyde et donnés sous forme de tableaux, le total peut être inférieur à 100 dans le cas des minéraux hydroxylés (Document 2).
  À chaque point d'analyse, les teneurs en oxyde permettent de calculer les teneurs en cations (Si⁴⁺, Ti⁴⁺, Al³⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ Document 3 ) et de déterminer la formule structurale du minéral au point analysé.

• Seuls certains cations sont intéressants en tant que marqueurs thermobarométriques.
  En effet les conditions de température et de pression influencent leur degré de substitution dans les réseaux cristallins. Ce sont en réalité les variations des teneurs en ces cations entre deux ou plusieurs minéraux cogénétiques, qui permettent de déterminer les variations de P et T.
  Par exemple :
      - les variations de teneur en Fe-Mg sont indicateurs des variations de température.
      - les variations de teneur en Ca-Al sont indicateurs des variations de pression.
  Par suite, la nature des cations sensibles à P et T détermine le choix des minéraux à analyser.

• Les calibrations géothermobarométriques et leur utilisation.
  Des chercheurs ont établi grâce à des calculs thermodynamiques théoriques et à des études expérimentales les relations existantes entre les variations de composition chimique et les variations de pression et de température régnant lors de la formation des minéraux. Chaque équipe travaillant sur un thermomètre ou sur un baromètre ou encore sur un thermobaromètre donné propose une équation mathématique , ce qui aboutit à plusieurs équations et donc à des calibrations différentes. Les résultats apparaissent comme des "fourchettes" de température et de pression et mènent à la construction graphique de "boîte".
  (Document 4b)

• Exemples

  • Cas de minéraux cogénétiques, en contact (Document 4)

  • Cas de minéraux cogénétiques qui ne sont pas en contact.
    Comme pour les minéraux en contact, les variations de pression et de température sont déterminées à partir de points d'analyse réalisés en série du cœur vers la périphérie, au sein de minéraux de la même phase de déformation et les calculs thermobarométriques sont effectués à l'aide de points jugés à l'équilibre au même moment t.. (Document 5). Ce travail est surtout utile dans le cas des roches basiques, pour lesquelles plus de trois minéraux sont nécessaires à la thermobarométrie et dans lesquels ces minéraux sont rarement en contact.
    Ce cas a été mis en pratique dans l'exercice "La mémoire structurale et chimique d'une roche métamorphique : l'amphibolite de Guernéhué."

• Remarque importante :
  L'exploitation thermobarométrique de l'analyse chimique des minéraux d'une roche ne peut en aucun cas être dissociée de l'analyse structurale de celle-ci, si l'on veut corréler les variations de pression et de température aux déformations.

La microsonde électronique

1  Cathode 2  Ion pomp 3  Alignment coils 4  Electron absorber liner tube 5  Condenser lenses 6  Aperture system 7  Beam regular 8  Faraday cup 9  Wavelength dispersive spectrometer 10 Diffracting crystal 11 Gas counter 12 Specimen 13 Specimen chamber 14 Specimen stage drivers, optical position encoder 15 Energy dispersive spectometer 16 E.D.S. operture 17 Probe forming lens 18 Backscttered electron detectors 19 Specimen airlook

Complément 1

Au cours des déformations successives, les minéraux nouvellement formés peuvent être de nature différente des précédents, ou  peuvent  être de même nature. Dans ce dernier cas, leurs compositions chimiques sont différentes si les conditions P-T ont été différentes au cours des épisodes de déformation.
Cela signifie que les roches métamorphiques ont une mémoire structurale, mais aussi une mémoire chimique.

Complément 2

Les zonations chimiques des minéraux peuvent être pressenties par observation microscopique (variations de couleurs, présence ou absence d'inclusions), mais elles ne sont vraiment et finement détectables qu'à la microsonde électronique. Chaque analyse ponctuelle effectuée à l'intérieur d'un minéral est caractéristique des conditions P-T à un instant ponctuel t de sa cristallisation !

Les zonations chimiques sont caractéristiques de réactions continues (de variance 2, d'après la règle des phases) et de réactions d'échange (de variance 3). Les réactions inter-minérales (de variance 1) sont, quant à elles, directement observables au microscope.

Seules les réactions de variances 2 et 3 sont utilisables pour effectuer des calculs thermo-barométriques, (pour lesquelles on ne doit jamais utiliser de moyennes d'analyses). Les réactions inter-minérales ne doivent être utilisées qu'à titre indicatif, pour contrôler le passage, à un instant ponctuel t, d'un chemin P-T calculé, à travers la courbe correspondant à la réaction réelle (sans faire intervenir des minéraux non observés dans la lame !), ainsi que pour contrôler le sens du chemin pour cette réaction.
Il est donc très peu performant de se servir uniquement de réactions inter-minérales si on veut obtenir des chemins P-T-t quantitatifs complets (progrades/rétrogrades).