FLUORESCENCE X

Définition

La fluorescence est la propriété qu’ont certains atomes et molécules qui leur permet d’absorber un rayonnement à une longueur d’onde particulière, il s’en suit leur excitation automatique et d’une brève émission de ce même rayonnement à une longueur d’onde plus longue.

La fluorescence X fait partie de la spectrométrie qui est l’étude d’un spectre ou d’un rayonnement. Les différentes techniques d’analyse par fluorescence X sont fondées sur l’émission spontanée des rayons X au cours des interactions entre particules et atomes cibles. Elles se servent des différents phénomènes physiques comme l’effet photoélectrique et la diffraction des rayons X ( (Bernache, 1993) & (Rahmani, 2002)).

Les éléments de Na à U sont systématiquement déterminés par la spectrométrie de fluorescence X à dispersion d’énergie (Sharma, 2011).

Elle permet la détermination non seulement sur le plan qualitatif mais aussi quantitatif des éléments majeurs et traces dans une infinité de types d’échantillons.

Principes

Le rayonnement de fluorescence X est un rayonnement X produit par photo-ionisation (Jundt & Guillaume, 1998). L’électron d’une couche profonde d’un atome est éjecté lorsque l’atome absorbe un photon X, il y a ensuite émission d’un rayonnement X caractéristique à la suite du réarrangement du cortège électronique de l’atome. L’énergie du photon X émis est égale à la différence des énergies de liaison des électrons de l’atome impliqués dans ce réarrangement (Fig. 26.).

En terme plus simples, les échantillons subissent une excitation avec un rayonnement X, et nous procédons à l’analyse du rayonnement propre de l’échantillon réémis lors de la reprise de son équilibre, d’après Wetshondo, (2012).


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Fig. 26: Principe de la fluorescence X (Corre, 1979)

 

Matériels

Pour bien mener cette analyse, nous nous sommes servis d’un marteau, d’un marqueur, des gans, d’un pied-à-coulisse, d’emballages (Markets) pour emballer les gros échantillons et d’un appareil photo.

Remarque : Les échantillons retenus pour cette analyse sont les mêmes que ceux analysés avec la microscopie (cfr tableau N°1).

Mode opératoire

Pour cette analyse nous nous sommes essentiellement servis de petits fragments des roches, dont les différentes étapes de la préparation sont reprises dans les lignes qui suivent.

La préparation des échantillons

Cette étape consiste à réaliser les opérations telles que le concassage des roches, afin d’avoir des fragments des roches de tailles requises pour l’analyse. Mais aussi procéder par le mesurage de leur diamètre à l’aide d’un pied à coulisse. Nous avons en effet opté pour l’analyse avec le monocristal qu’avec la poudre.

Le concassage

Cette opération consiste à réduire la taille des différents échantillons des roches afin d’obtenir les dimensions requises qui devront servir dans cette analyse, elle a été réalisée essentiellement à l’aide d’un marteau (Fig. 27).


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Fig. 27: Echantillons des roches concassées (avec B. contenant les fragments des roches de taille retenue pour l’analyse à l’état cristal).

Le mesurage

Il est question de mesurer la taille (en centimètre) des échantillons des roches issus du concassage, c’est-à-dire des petits fragments des roches à l’aide essentiellement d’un pied- à-coulisse (Fig. 28).


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Fig. 28: Mesures des monocristaux des roches à l’aide du pied-à-coulisse.

Procédés de l’analyse

Elle passe par les différentes étapes que voici :

Placer tout d’abord l’échantillon de roche mesurée à l’aide du pied à coulisse dans le porte échantillon de l’appareil puis refermer (Fig. 29) ;


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Fig. 29: Placement de l’échantillon dans le diffractomètre.

Lancer l’analyse puis la programmer pour une heure (3600 secondes) ; nous pouvons en effet observer des variations sur l’écran de l’ordinateur tout au long de l’analyse (Fig. 30) ;


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Fig. 30: Fonctionnement du diffractomètre.

L’énergie (35 KeV) envoyée déstabilise la roche en l’excitant suite l’absorption de ces rayonnements X à une certaine longueur d’onde par les atomes ou molécules

(fluorophores : molécules ayant la propriété de se laisser traverser par la lumière) de la matière.

Le spectre qui en découle comprend en abscisse l’énergie en KeV (35keV) et en ordonné les impulsions. Il passe ensuite par un certain nombre des filtrages tel que le lissage, à l’aide du logiciel Measure, etc.

Le spectre caractéristique de l’échantillon reprend les différents pics avec leurs hauteurs respectives.

La détection des métaux caractéristiques se fait par comparaison avec une base des données reprenant les informations relatives à chaque pic (𝐾𝛼 et 𝐾𝛽) en fonction de leurs hauteurs à l’aide du logiciel utilisé afin d’identifier correctement les métaux correspondants.

Résultats et interprétations

Les résultats issus de la fluorescence nous permettent de caractériser chimiquement les échantillons sous étude.

KM05

Ci – dessous dans la Fig. 31, nous présentons le spectre caractéristique de l’échantillon KM05.

Fig. 31: Spectre de l’échantillon KM05.

Après la recherche dans la base de données du logiciel Measure de Phywe nous présentons dans le tableau 7 ci-dessous les éléments chimiques correspondant aux différents pics représentés dans le spectre ci-haut.

Tableau 7: Eléments chimiques en fonction des différents niveaux d’énergie pour KM05.


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Remarque : Ce tableau est élaboré à l’aide du tableau de Mendeliev (tableau périodique) en se servant des valeurs maximales à travers leurs raies c’est-à-dire la raie 𝐾𝛼 et celle de 𝐾𝛽 pour chaque pic du spectre.

Cet échantillon des roches met en évidence un certain nombre des métaux avec un enrichissement en zinc, en fer et nickel.

KM08

Ci – dessous dans la Fig. 32, le spectre caractéristique de l’échantillon KM08.

Fig. 32: Spectre de l’échantillon KM08

La recherche dans la base de données du logiciel Measure de Phywe nous permet d’élaborer le tableau 8 ci-dessous reprenant les éléments chimiques identifiés.


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La chimie de cet échantillon de roche est donnée dans le tableau ci-haut, le nickel et le zinc y sont également comme dans l’échantillon précédent.

KM12

Ci – dessous dans la Fig. 33, nous présentons le spectre caractéristique de cet échantillon.

Fig. 33: Spectre de l’échantillon KM12

Après la recherche dans la base de données du logiciel Measure de Phywe, nous présentons ci-dessous un tableau avec les éléments chimiques correspondant à nos pics.


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Le zinc et le nickel sont également présents en proportion considérable compte tenu de la hauteur des pics dans le spectre de l’échantillon.

KM246

Ci – dessous dans la Fig. 34, nous présentons le spectre caractéristique de l’échantillon KM246.

Fig. 34: Spectre de l’échantillon KM246

 

La recherche dans la base de données du logiciel Measure de Phywe nous a fourni les résultats repris dans le tableau 10 ci-dessous.

Tableau 10: Éléments chimiques en fonction des différents niveaux d’énergie pour KM246


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Les métaux caractéristiques de cet échantillon sont répertoriés dans ce tableau, avec une abondance en zinc, manganèse et nickel.

KM70

Le spectre caractéristique de cet échantillon de roche correspond à la Fig. 35 suivante :

Fig. 35: Spectre de l’échantillon KM70

 

La recherche dans la base de données du logiciel Measure de Phywe nous a fourni les résultats repris dans le tableau 12 ci-dessous.


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Tableau 11: Éléments chimiques en fonction des différents niveaux d’énergie pour KM70

Cet échantillon de roche est caractérisé par une diversité des métaux, sans compter le zinc et le nickel qui sont quasiment présents dans toutes les roches et avec des grandes hauteurs dans les spectres.

COMPARAISON MINERALOGIQUE ENTRE LES GRES POLYMORPHES ET LES GRES TENDRES

Les échantillons KM08, KM70 et KM12 représentent les grès tendres et les échantillons KM05 et KM246 les grès polymorphes.

Les résultats issus de la fluorescence X montrent pour les échantillons des grès tendres une abondance en :

manganèse (Mn) ;

nickel (Ni) ;

zinc (Zn).

Dans les grès polymorphes par contre, le manganèse a été substitué par le fer comme métal principal, le Ni et le Zn y sont également.

Du point de vue phases minérales, nous avons une abondance en quartz dans les deux types des roches, avec en particulier une abondance des minéraux riches en Zinc dans les grès tendres. Les grès polymorphes comportent des phases minérales riches en Fe et Ni, en plus de celles qui sont carbonatées telle que la dolomite.

CONCLUSION PARTIELLE

En effet, l’observation microscopique au moyen des lames minces a mise en évidence la présence des arénites quartzeuses dans une matrice de teinte blanchâtre.

La diffraction X met en évidence les minéraux siliceux avec une abondance en quartz, les minéraux carbonatés et ferrifères sont également présents.

La fluorescence X indique une abondance en Zinc et en Nickel d’une manière générale, avec en particulier une abondance :

du fer dans les grès polymorphes ;

du manganèse dans les grès tendres.

 

Pour citer ce mémoire (mémoire de master, thèse, PFE,...) :
Université 🏫: Université de Kinshasa - Faculté des sciences département des géosciences
Auteur·trice·s 🎓:
MUSITU MULIWAVYO Jonathan

MUSITU MULIWAVYO Jonathan
Année de soutenance 📅: Mémoire de fin d’étude présenté et défendu en vue de l’obtention du titre de licencié en Sciences - Option : Génie géologique - Géotechnique et Hydrogéologie
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