De l’échantillonnage au spectromètre, trajet d’une analyse chimique

Basalte, andésite, dacite, rhyolite… Les roches volcaniques portent des noms qui dépendent en premier lieu de leur composition chimique. Au-delà de la seule classification, cet important paramètre permet de connaître l’histoire magmatique et éruptive d’un volcan. Voici comment le déterminer.

Dans le numéro 5 de kīpuka, nous avons vu comment les volcanologues classent les roches en fonction de leur composition chimique. Voici un petit rappel : on reporte sur le diagramme dit « TAS » (total alkali silica) la fraction massique de quelques éléments chimiques de la roche, exprimés sous forme d’oxydes. La silice (SiO₂) sur l’axe des abscisses, la somme du sodium (Na₂O) et du potassium (K₂O) sur l’axe des ordonnées (ci-dessous). Le diagramme TAS est découpé en divers champs, délimités par leurs coordonnées ; par exemple, le champ compris entre 45 et 52 % de silice et entre 0 et 5 % d’éléments alcalins correspond à un basalte. Mais comment détermine-t-on ces teneurs ? Comment passe-t-on d’une roche volcanique, prélevée sur le terrain, à un point dans le diagramme TAS ? C’est le résultat d’un long protocole analytique, impliquant de nombreuses étapes sur plusieurs appareils, que nous allons vous présenter en détails.

Étape 1 : Échantillonnage

Tout commence par le prélèvement d’un échantillon de la coulée de lave que l’on souhaite analyser. Il serait tentant de ramasser un des blocs qui se trouvent généralement au pied de la falaise formée par la coulée. Après tout, ils n’ont pas pu venir de bien loin… Mais le géologue est méfiant (à raison) et préférera toujours prélever un échantillon en place ; autrement dit, détacher lui-même un bloc à grands coups de marteau. L’échantillon doit être frais, c’est-à-dire non altéré (on pourra se débarrasser des éventuelles parties indésirables à l’étape suivante). Surtout, il doit être représentatif de l’affleurement. Toute analyse chimique repose sur cette hypothèse fondamentale, sur l’idée que le petit morceau de roche ramené au laboratoire représente l’intégralité de l’unité géologique que l’on souhaite caractériser. Si l’unité en question présente des hétérogénéités, il est alors recommandé de prélever autant d’échantillons que de faciès.

Étape 2 : Sciage

De retour au laboratoire, il convient de scier l’échantillon. Le but de cette étape est de se débarrasser de la « croûte » de la roche, la partie exposée (au soleil, aux intempéries…), généralement altérée – sans compter les éventuels lichens, mousses, etc. On garde uniquement le cœur frais de la roche. Si elle contient des enclaves d’une autre nature, issues d’un mélange magmatique par exemple, ou bien des xénolithes mantelliques, on s’en débarrasse à cette étape pour ne pas fausser les données. Le sciage permet aussi d’obtenir des morceaux assez petits pour passer dans le concasseur à l’étape suivante (des cubes de quelques centimètres de côté). On utilise une scie diamantée, dont la lame est refroidie en permanence par une aspersion d’eau. On travaille donc généralement en ciré… Sans oublier le casque (pour le bruit), les lunettes (pour les éclats) et les gants (pour les doigts). Après le sciage, on laisse les échantillons sécher à l’air libre ou dans un four.

Étape 3 : Concassage

Au cours de cette étape, on va transformer les morceaux précédemment obtenus en plus petits fragments (environ 4 mm). Pour ce faire on utilise un concasseur, où une mâchoire métallique mobile vient écraser les cubes de roches contre une mâchoire fixe. Mais avant toute utilisation, il faut commencer par nettoyer la machine, car il y passe tous types de roches en fonction des recherches effectuées. La hantise du volcanologue est alors de contaminer son échantillon avec ceux préalablement concassés. Même si l’utilisateur précédent est censé avoir laissé la machine impeccable, on commence donc par la nettoyer : quelques coups de soufflette d’air comprimé pour déloger les poussières, puis on frotte à la brosse métallique et on astique avec un chiffon et de l’alcool. On peut alors faire passer les morceaux d’échantillons dans la machine (on peut faire plusieurs passages en réduisant l’écart entre les mâchoires à chaque fois, afin d’obtenir la finesse voulue). Le tout se fait dans un vacarme assourdissant, entre le moteur du concasseur, les crissements des mâchoires contre la roche et la soufflerie qui extraie les volutes de poussière… Une fois que l’on a obtenu de beaux fragments de 4 mm, que fait-on ? On les jette à la poubelle ! Eh oui, afin de se prémunir de toute contamination, on réalise ce qu’on appelle une pré-contamination. Ensuite on re-nettoie : soufflage, frottage, astiquage. On considère qu’après cette étape, s’il reste des traces d’une roche dans le concasseur, ce sera notre propre échantillon. On recommence alors la procédure, cette fois en conservant les fragments résultants. Enfin on re-nettoie, afin que l’utilisateur suivant ait une machine propre (même s’il commencera bien évidemment sa séance de concassage par un nettoyage).

Étape 4 : Broyage

Cette étape consiste à réduire nos fragments en une fine poudre. On utilise pour cela un broyeur planétaire. L’appareil consiste en un bol d’agate, dans lequel on place l’échantillon et des billes d’agate. Le tout est en rotation sur une « roue solaire », qui lui imprime une intense force centrifuge. Vous l’aurez sans doute deviné, avant toute chose on nettoie le broyeur. Ici soufflette d’air et chiffon d’alcool suffisent. Puis on lance un premier cycle de broyage, en choisissant une vitesse de rotation et un temps, un peu comme un programme de machine à laver. En général, 5 minutes à 500 tours par minute suffisent à obtenir la finesse désirée (des particules d’un diamètre inférieur à 80 microns). Une fois qu’on a cette belle poudre, que fait-on ? Eh oui, on la jette à la poubelle ! C’est la pré-contamination du broyeur, selon le même principe que le concasseur. Ensuite on nettoie l’appareil, on recommence le broyage, cette fois on conserve la poudre obtenue, et on finit par un dernier nettoyage pour l’utilisateur suivant… Notez que si l’on souhaite analyser des cendres volcaniques et non pas une lave, on peut alors se passer du concassage, voire du broyage si on considère uniquement des cendres fines, après tamisage.

Étape 5 : Fusion alcaline et dissolution

L’étape suivante consiste à dissoudre cette poudre. Pour ce faire, on commence par la fondre. On mélange 100 mg de poudre avec 300 mg de métaborate de lithium (LiBo₂). C’est ce qu’on appelle un « fondant » ; il permet d’abaisser le point de fusion du mélange, donc de moins chauffer. Le mélange est placé dans un creuset en graphite puis inséré dans un four à induction. Quatre minutes à 1 000 °C suffisent à transformer la poudre en une perle liquide, que l’on jette dans un mélange d’eau et d’acide nitrique où elle se dissout. La solution obtenue est filtrée avec un papier spécial afin d’enlever d’éventuelles particules de graphite. Finalement, on ajoute de l’eau jusqu’à 200 mL afin d’obtenir un facteur de dilution de 2 000 (soit 0,1 g d’échantillon pour 200 g d’eau). C’est cette solution qui va être analysée dans le spectromètre (étape 7). Mais avant, il reste un dernier paramètre à déterminer.

Étape 6 : Perte au feu

Le problème de la fusion alcaline, c’est qu’on perd tous les éléments volatils éventuellement présents dans l’échantillon, qui s’évaporent lors du chauffage. Or si l’on veut que le résultat de l’analyse finale totalise bien 100 %, il est important de quantifier ces éléments. Pour cela, on place environ un gramme de notre poudre dans un creuset en céramique, on pèse le tout et on chauffe à 110 °C pendant deux heures. Après refroidissement on pèse à nouveau ; la différence avec la masse de départ correspond à la perte d’eau moléculaire (H₂O). On replace le creuset dans le four et cette fois on chauffe à 1 000 °C. Après refroidissement on pèse encore. La différence avec la masse obtenue auparavant correspond à la perte d’eau interstitielle, et aux autres espèces gazeuses éventuellement présentes comme le CO₂.

Étape 7 : Analyse

Sans trop rentrer dans les détails tortueux de cette merveille de technologie, voici le principe de base d’un spectromètre (que les puristes me pardonnent les raccourcis). La solution est vaporisée et les atomes qu’elle contient sont ionisés, c’est-à-dire que l’appareil va leur ajouter une charge électrique : un atome de silicium devient un ion Si⁺ (et un électron e⁻). Une des principales méthodes repose sur un plasma d’argon à près de 6 000 °C. Pour identifier les ions, il existe ensuite deux grands principes. Dans un spectromètre de masse, ils traversent un tube courbe soumis à un champ magnétique, qui va dévier la trajectoire de chaque ion en fonction de sa masse et donc séparer les éléments. À l’autre bout, des récepteurs (des cages de Faraday) sont positionnés sur les différentes trajectoires. Ils transcrivent chaque impact d’ion sous la forme d’un courant électrique ; l’intensité du courant émis par un récepteur donne l’abondance de l’élément correspondant. Pour les spectromètres d’émission, c’est l’émission d’un photon par l’ion qui va révéler sa nature, chaque élément émettant dans une longueur d’onde caractéristique. La détection est alors optique.

Étape 8 : Résultats

Après tout ce travail de préparation et d’analyse, on obtient finalement un tableau de valeurs qui peut être utilisé pour calculer la position de l’échantillon dans le diagramme TAS. La roche prélevée sur le terrain a finalement un nom ! (Dans notre exemple, il s’agissait d’un trachyte.) Notez que le protocole analytique peut varier selon les institutions de recherche. Celui présenté dans ces lignes est utilisé au Laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand, développé par Mhammed Benbakkar et aujourd’hui mis en œuvre par Claire Fonquernie. Je les remercie tous les deux chaleureusement pour leur patience et leurs explications pendant mes travaux de thèse… D’autres structures utilisent des méthodes différentes, par exemple la spectrométrie de fluorescence des rayons X. Profitons de cet article pour rappeler une fois de plus l’importance des personnels dits « d’appui à la recherche » (gestionnaires, techniciens, ingénieurs…), rouages ô combien essentiels de la science mais trop souvent oubliés. ■

Article issu de kīpuka #11, texte diffusé sous licence CC BY-NC-ND.

Sauf mention contraire, toutes les photos illustrant cet article sont CC BY Jean-Marie Prival/kīpuka.