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Géoscience

L’essence 
des pierres

Une nouvelle microsonde électronique commence à fonctionner à l’USP pour analyser les éléments chimiques des minéraux

Publié en Janvier 2013

Images obtenues par la microsonde à technique de dispersion de la longueur d’onde et de rayons X, en haut, la présence d’aluminium dans un échantillon de minéral silicaté, en bleu; en dessous présence de calcium, en vert

du Laboratoire Microsonde de l’IGC-US PImages obtenues par la microsonde à technique de dispersion de la longueur d’onde et de rayons X, en haut, la présence d’aluminium dans un échantillon de minéral silicaté, en bleu; en dessous présence de calcium, en vertdu Laboratoire Microsonde de l’IGC-US P

La nouvelle version d’un appareil rendu célèbre par les astronautes d’Apollo qui ont ramené des roches de la Lune entre 1969 et 1972, fonctionne dans un bâtiment spécialement construit à cet effet à l’Institut de Géosciences de l’Université de São Paulo (USP). La microsonde électronique est un outil de recherche capable d’identifier et de quantifier rapidement les éléments chimiques présents dans un minéral. La microsonde a pris de l´importance à la suite des missions lunaires, quand l’agence spatiale américaine (Nasa) a distribué des échantillons aux institutions de différents pays. Le fait de savoir qu’un minéral de roche contient du calcium, du fer ou une terre rare est important pour mieux comprendre la nature géologique d’un milieu particulier mais, également, pour déceler l´existence de matériaux présentant un intérêt pour l’exploitation minière ou industrielle. Cet appareil peut également servir en métallurgie pour analyser les composants d´un alliage métallique ou encore permettre de découvrir les subtilités chimiques de la formation des dents.

Ce matériel, acquis auprès de l’un des deux uniques fabricants au monde, l’entreprise japonaise Jeol – l’autre étant la société française Cameca – coûte 1,6 millions de dollars américains et est entièrement financé par la FAPESP. Il remplace, tout en proposant davantage de fonctions, une microsonde achetée en 1992 dans le cadre d’un programme de financement de l’USP et de la Banque Interaméricaine de Développement (BID) complété par la FAPESP. Cette ancienne microsonde avait, à son tour, remplacé un modèle américain datant de 1971, le tout premier installé dans le pays, acheté entièrement avec des fonds de la BID. Ce premier modèle, muni d’un système de capture de données compliqué et manuel, enregistrait les informations sur les cartes perforées d’un ordinateur connecté à la machine qui se trouve encore à l’Institut de Géoscience. Le plus ancien appareil avait trois spectromètres à rayons X, tandis que le plus récent a cinq de ces dispositifs couplés à la microsonde. Ce genre de spectromètre fait l’analyse des éléments chimiques présents dans le minéral au moyen de la lecture de la longueur d’onde générée par le canon à faisceau d’électrons, au moment où il touche l’échantillon. Le résultat est une radiation de rayons X, dont la longueur d´onde est spécifique à la matière irradiée captée par un cristal à l’intérieur de la microsonde. Il se charge de reconnaître la longueur d’onde de l’élément chimique et son intensité à un point spécifique du matériau.

«Au tout début, l’exploitation du premier appareil a été très difficile et a exigé une préparation et une analyse plus compliquée et détaillée de l’échantillon. Déjà, la seconde génération de l’appareil avait cinq spectromètres et la dernière montre finalement une plus grande automatisation du processus d’analyse, une meilleure résolution de l’interface graphique et une luminosité accrue des images. Il sera possible d’obtenir des images de meilleure qualité, à l´exemple des minéraux contenant du manganèse et du cadmium qui ont la propriété d’émettre de la lumière à l’impact des électrons. Une autre chose d’importance réside dans la plus grande sophistication des conditions de vide que parcourt le faisceau d’électrons sans être absorbé par les molécules d’air avant d’atteindre l’échantillon», dit Celso de Barros Gomes, professeur émérite de l’Institut de Géosciences, qui a monté et qui dirige le Laboratoire de Microsonde Électronique de l’Institut, également responsable de l’achat de trois machines en 1971, 1992 et 2012. «Il s’agit d’un cycle historique», dit-il.

de Jean Wolff / Université de l’État de WashingtonSur un matelas de sable
Pour recevoir la nouvelle microsonde, il a fallu construire un nouveau laboratoire de 90 m² au rez-de-chaussée de l’Institut de Géosciences. La grande sensibilité du nouvel équipement a demandé un lieu à l´abri de l’interférence des champs magnétiques des autres appareils de l’institut. La microsonde a 1,80 mètre de haut et est intégrée à une table équipée de divers équipements et de trois écrans destinés à la vérification des résultats. L’équipement est posé sur une sorte de matelas isolant constitué d’un trou d’un mètre de profondeur rempli de sable dont la fonction est d’absorber les vibrations dues à la circulation automobile autour de l´immeuble. La microsonde est également enveloppée par une cage de Faraday qui n´est autre qu’un cadre métallique assurant le blindage électrostatique de l´équipement.

Inauguré le 14 décembre, le nouveau laboratoire est prêt à recevoir, avec davantage d´efficacité, les partenaires et les consultations que les anciennes microsondes avaient l’habitude de traiter. «Nous fournissons des services aux sociétés minières, telles que CPRM et Vale plus particulièrement, qui travaillent avec une grande diversité de produits miniers», dit Gomes. «Nous faisons aussi des études pour Petrobras». Le produit de ces services sert à l´entretien du laboratoire. Mais, la principale demande en microsonde, ces dernières années et selon le professeur Celso Gomes, vient principalement des étudiants de maîtrise et des doctorants de l´Université de São Paulo (USP), de l’Universidade Estadual Paulista (UNESP), de l’Université d’État de Campinas (UNICAMP), de l´Université Fédérale du Paraná (UFPR), de Pernambouc (UFPE) et de Bahia (UFBA) qui réservent tour à tour l´utilisation de l’équipement. «Nous avons également reçu des chercheurs de divers pays d’Amérique latine et d’Afrique, notamment du Mozambique et d’Angola,», dit Gomes. «Grâce à ce nouvel appareil, nous souhaiterions réaliser des études de pointe et nous rapprocher du domaine de l’odontologie afin d’analyser la distribution des éléments chimiques dans les dents et d’étudier la nature et le comportement de la dentition », dit-il.

«Cette nouvelle microsonde est extrêmement riche en possibilités», dit le professeur Marcos Aurélio de Oliveira Farias, de l’Institut de Géoscience et des Sciences Exactes de l’Universidade Estadual Paulista (UNESP) de la ville de Rio Claro. «Elle offre beaucoup plus de possibilités et permet de réaliser plus d’expériences en moins de temps. La sonde précédente était déjà très performante, mais il était nécessaire de prévoir des arrêts fréquents pour assurer sa maintenance, ce qui avait fini par former une file d´attente de six mois environ», dit Oliveira. «Pendant environ trois ans, elle a été la seule sonde à desservir la communauté universitaire du pays, les autres étant en panne, comme c´est le cas à l´Université de Brasilia (UnB)», explique t-il. Il rappelle que récemment l’Université Fédérale de Rio de Janeiro (UFRJ) et l’UnB ont acheté une microsonde; outre l’autorisation d’acheter un de ces appareils accordée à l’UNESP par l’organisme de Financement des Études et des Projets (FINEP) par et le Ministère de la Science et de la Technologie.

Informations génétiques
Bien que les industries métallurgiques possèdent déjà ce type d’instrument, la formation de nouveaux géologues requiert des microsondes en milieu universitaire et, plus particulièrement, en cette période d’expansion rapide des grandes entreprises du secteur, telles Petrobras et Vale. «Quantifier les éléments est la raison d´être de la Géologie. En effet, cette quantification permet de déterminer les conditions de pression et de température à laquelle ces minéraux se sont formés à des kilomètres de profondeur. Ils fournissent en quelque sorte une information génétique sur la composition chimique du matériau analysé », explique Gomes. Ces informations et les diverses autres informations obtenues de la microsonde sont particulièrement importantes dans le cas des minerais car elles favorisent une meilleure compréhension du potentiel d’une mine et influencent son aménagement en fournissant des indications sur l’infrastructure nécessaire à son exploitation.

Pour commencer l’analyse des échantillons de roches prélevés sur le terrain, les chercheurs qui souhaitent utiliser la microsonde préparent le matériau – c´est le cas de l’USP qui met un technicien à disposition – et l’affinent au micron près (1 micromètre est égal à 1 millimètre divisé par mille). Cette fine couche de roche est fixée avec une colle transparente à la lame de verre qui sera insérée dans la microsonde. À ce niveau, la couche est émincée au point de s´incorporer presque au verre. L’échantillon a été auparavant examiné au microscope optique pour connaître son épaisseur qui doit varier entre 30 et 40 microns. L’échantillon est placé ensuite dans un métaliseur pour recevoir une couche de carbone qui le rendra conducteur.

«Quand il nous arrive d’avoir affaire à un échantillon inconnu dont nous ignorons tout des minéraux qui le composent, nous utilisons la technique de la dispersion d’énergie (WDS, son acronyme anglais) qui permet de faire un balayage de tous les éléments chimiques du tableau périodique des éléments et qui indique, par exemple, si ce matériau est un feldspath ou un tout autre minéral», explique le professeur Celso Gomes. Il est possible d’identifier le minéral par sa composition chimique. Pour quantifier les éléments présents ou déterminer le pourcentage de silicium, fer, aluminium ou magnésium, par exemple, présents dans chaque minéral de roche, les géologues utilisent une microsonde à technique de dispersion de longueur d’onde (WDS, son acronyme anglais) qui, outre la finalité première, peut indiquer, par exemple, les conditions de formation du matériau.

«Actuellement, ces techniques sont bien connues et largement répandues mais, dans le passé, au tout début de l’arrivée des microsondes sur le marché, entre les années 1960 et 1970, il a été difficile de convaincre la communauté universitaire de son importance. La diffusion de cette technique s’est faite par les données présentées lors de congrès, de conférences, de cours, de stages et grâce à la publication d’articles scientifiques», dit Gomes. «Nous avons commencé il y a 40 ans à mettre en place un processus de persuasion et, aujourd’hui, la microsonde fait partie de la culture scientifique de la Géologie du Brésil», dit-il.

Projet
EMU: Acquisition d’une nouvelle microsonde électronique pour l’Institut de Géoscience de l’USP. Nº 2009/53835-7; Modalité Programme. Equipements multi-usagers; Coordinateur Celso de Barros Gomes – USP; Investissement 473 729,58 reais et 1 662 330,00 dollars US (FAPESP).

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