Diffractométrie

Type d’appareil : Diffractomètre des rayons X (DRX)

Marque et modèle : D2 PHASER  marque BRUKER équipé d’un détecteur LYNXEYE. Les rayons X sont produits par une anode en cuivre (l_{ka(1 ; 2)} = 1.541838 Å) . Générateur à 30kV et 10mA. Le programme Diffrac-AT permet le pilotage et le traitement des données. Les données peuvent être analysées à l’aide du programme Diffrac-Eva ou le logiciel MacDiff®4.2.5

Responsables technique et scientifique : Laurence Le Callonnec, Alain Person

Principe : La diffractométrie de rayons X (DRX) est une technique d'analyse basée sur la diffraction des rayons X par la matière. Cette technique, relativement simple à mettre en œuvre, permet, entre autre, d'identifier tous les composés minéralogiques d'un échantillon géologique. L'intérêt de l'utilisation des RX réside dans le fait que leurs longueurs d'onde sont du même ordre de grandeur que les distances atomiques (qq Angström).

Les rayons X, comme toutes les ondes électromagnétiques, provoquent un déplacement du nuage électronique par rapport au noyau qui se traduit par la réémission d'ondes électromagnétiques de même fréquence : c'est la diffusion Rayleigh. Les interférences des rayons diffusés peuvent, en fonction des directions, être constructives : c'est la diffraction X. Ces directions, pour lesquelles les interférences sont donc constructrices, sont les « pics de diffraction » et peuvent être déterminées par la loi de Bragg :

2d.Sin θ = n λ

Avec d = distance inter réticulaire ou distance entre deux plans cristallographiques ; θ = demi-angle de déviation (moitié de l'angle entre le faisceau incident et la direction du détecteur) ; n = ordre de réflexion (souvent considéré comme = à 1) ; λ = longueur d'onde des rayons X (lié à la nature de la cathode).

Une phase minérale pure et bien cristallisée présentera toujours le même résultat (diffractogramme). Le spectre montre plusieurs pics de diffraction correspondant chacun à une valeur 2θ et une intensité. Ces pics correspondent à des plans cristallographiques et peuvent donc être repérés dans l'espace par les indices de Miller, notés (h,k,l). A chaque minéral correspond donc une fiche de référence (ASTM) présentant tous les pics de diffraction donnés.

Une poudre ou un échantillon massif polycristallin contiennent des domaines semblables en tous points à un monocristal. Ces domaines de cohérence sont nommés «cristallites». Pour une incidence donnée du faisceau de RX, seuls certains cristallites, dont les plans (hkl) correspondant à l'angle de déviation 2θ, vérifient les conditions de Bragg. Ces plans (hkl) sont nécessairement orthogonaux à la bissectrice (appelée aussi vecteur de diffraction) entre le faisceau incident et le faisceau diffracté.

Pour que le diffractogramme soit caractéristique des phases en présence et d'aucun autre paramètre, il faut donc que toutes les orientations cristallines soient représentées, et que les grains sous le faisceau soient suffisamment nombreux pour avoir une analyse statistique. C'est pourquoi la plupart des analyses se font sur poudre.

Plus d'info sur la méthode : Un site très complet sur la technique et les applications de la diffraction des RX. http://www.chez.com/deuns/sciences/drx/drx.html

Pré-traitements : L’échantillon doit être broyé manuellement finement (environ 30 mm) au mortier en agate. Les analyses sont réalisées sur roche totale (gamme 2θ comprise entre 3 et 75°, pas d’analyse de 0.05°)  ou sur fraction séparée, par exemple les argiles, carbonates (gamme 2θ variable suivant les minéraux à caractériser, pas d’analyse compris entre 0.01 et  0.05°).

Résultats obtenus : Tous les matériaux cristallisés peuvent être analysés par cette technique. Les résultats se présentent sous forme de spectre dont les pics sont caractérisés (hauteur, surface, largeur à mi-hauteur, intensité et angle) et identifiés à un plan cristallographique d’un minéral.

Plusieurs types de détermination peuvent être réalisés :

(1)  Qualitative

(2)  Semi-quantitative en incorporant un étalon interne

(3)  Quantitative pour certains minéraux présents dans les roches sédimentaires à l’aide d’abaques construits au laboratoire.

(4)  Degrés de cristallinité et de substitutions élémentaires d’un minéral.