Les techniques à Rayons X

Qu’étudie-t-on avec ces outils ?

L’utilisation des rayons X permet étudier différents types d’échantillons géologiques - roches magmatiques (ex : basaltes, gabbros, péridotites) et métamorphiques, minéralisations (sulfures, oxydes, nodules…), sédiments... - afin de mieux comprendre les processus à l’origine de leur formation et/ou de leur mise en place. En effet, un échantillon géologique est composé d’atomes agencés sous forme d’une ou plusieurs phases minérales qui sont fortement dépendant du ou des processus impliqué(s) dans sa formation.

Qu’est-ce que les rayons X ?

Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique, comme la lumière, invisible à l’œil ayant une longueur d’onde comprise entre 0.01 et 10 nanomètres. Ces rayons sont couramment utilisés en médecine pour les radiographies, mais ils permettent aussi l’analyse chimique par la Fluorescence X ou la caractérisation minéralogique par Diffraction X.

La fluorescence X : Analyses chimiques

Lorsqu’un atome est irradié par un rayonnement X, les électrons qui composent ses couches internes peuvent être arrachés. L’atome se trouve alors dans un état instable, on dit qu’il est ionisé. Afin de retourner à l’état stable, un électron des couches extérieures vient prendre sa place. Ce déplacement s’accompagne de l’émission d’un photon X - rayonnement secondaire.

Ce photon X possède une énergie (en eV) et une longueur d’onde (en nm) caractéristiques de l’atome dont il provient. Ainsi, en regardant le nombre de photons X émis et leur énergie ou leur longueur d’onde, on peut identifier et quantifier les éléments chimiques présents dans un échantillon.

• Par exemple : l’énergie du rayonnement secondaire émis par les atomes d’aluminium sera toujours la même (1,4KeV), mais elle diffèrera de l’énergie du rayonnement secondaire émis par les atomes de Fer (6.4KeV)

En s’appuyant sur ce phénomène les spectromètres de fluorescence X permettent d’analyser la composition chimique d’un échantillon.

En variant les méthodes de préparation de nos échantillons, ces appareils permettent d’identifier les éléments chimiques du Sodium à l’Uranium :

• Les perles, verres créés par la fusion à 1100°C de l’échantillon dans un fondant, permettent l’analyse des éléments majeurs et mineurs en laboratoire.
• Les pastilles, poudre d’échantillon pressée à 10 T, permettent l’analyse des éléments traces en laboratoire et d’évaluer les éléments majeurs et mineurs à bord des navires océanographiques selon l’outil utilisé.
• L’extraction par attaque acide permet la mesure de l’or (> 0.5 µg/g).
• Les filtres, récupérés lors de la filtration in-situ des fluides hydrothermaux, peuvent aussi être analysés sans préparation particulière afin d’évaluer les espèces chimiques présentes dans les particules portées par le fluide.

Les éléments chimiques majeurs : concentration massique supérieure à 1 % de la masse totale.
Les éléments chimiques mineurs : concentration massique de 0.1 à 1 % de la masse totale.
Les éléments chimiques traces : concentration massique de 10 µg/g à 1000 µg/g (0.1 % de la masse totale)

Nos outils

Le laboratoire est équipé 

Les analyses chimiques nécessitent :

• pour les éléments majeurs et mineurs, 1g d’échantillon sec et broyé
• pour les éléments traces ou la mesure à bord des navires, 4 à 6g d’échantillon sec et broyé

La diffraction X : Analyses minéralogiques

Lorsque l’on irradie un échantillon avec des rayons X, les atomes présents vont diffuser ce rayonnement dans toutes les directions. Les rayonnements diffusés interfèrent entre eux, certains s’annulent (interférences destructives) tandis que d’autres s’ajoutent (interférences constructives) : on parle alors de phénomène de « diffraction ».

Un minéral est en partie caractérisé par sa cristallographie, dont la géométrie résulte de la manière dont les atomes se sont spatialement arrangés. Les directions des interférences dépendant de l’organisation des atomes, chaque minéral diffracte ainsi dans un ensemble de directions qui lui est propre. Ainsi en enregistrant le signal détecté en fonction de l’angle de déviation, on obtient un diffractogramme (ou scan) que l’on pourra comparer à une base de données afin de déterminer la composition minéralogique d’un échantillon : c’est un des principes de la diffraction X.

Nos outils et applications

Seuls les composés cristallisés peuvent être visibles en diffraction X ; les composés amorphes dont les atomes sont complètement désordonnés sont quasiment à totalement invisibles à la diffraction X (verre volcanique par exemple).

Le laboratoire est équipé :

• L’analyse globale sur poudre (identification et quantification) qui consiste à identifier les phases minérales en présence et à les quantifier en utilisant la méthode de Rietveld.
• L’analyse sur « divers support » (identification et évaluation) : Les filtres récupérés lors de la filtration des fluides hydrothermaux, les sections polies, ou des petits blocs de roche sciée (taille maximale l*L*h= 20*20*20mm) peuvent aussi être analysés sans préparations particulières afin d’identifier les minéraux formés en surface. Une estimation de leur proposition peut être réalisée mais en raison de la géométrie de l’échantillon, elle sera moins précise que sur échantillon broyé.
• La µXRD (identification): encore en cours de développement, cette méthode permet de focaliser le faisceau de rayon X (taille du plus petit collimateur : 50µm) afin de permettre l’analyse aux endroits d’intérêts uniquement et d'ainsi voir en détail les évolutions minéralogiques à la surface d’un échantillon. Théoriquement, il est possible de faire une cartographie ces variations minéralogiques.
• L’analyse des argiles (identification et évaluation), de par leur arrangement en feuillet, les pics de diffraction des différentes argiles sont très proches voire se superposent. En isolant les argiles, en les orientant et en les soumettant à différents traitement (méthode de préparation de Biscaye), on peut identifier les argiles présentes et évaluer leur quantité. 

Les analyses minéralogiques nécessitent :

• pour l’analyse globale sur poudre, 1g d’échantillon sec et broyé finement ;

• pour l’analyse sur divers support et la µXRD, un échantillon relativement plan avec une taille maximale de 20*20*20mm ;

• pour l’analyse des argiles, un échantillon lyophilisé dont la quantité varie en fonction de la nature de l’échantillon.