L'exoscopie, une technologie d'imagerie révolutionnaire

Dans les années 1970, Loïc Le Ribault développe une méthode révolutionnaire d'analyse des sables appelée l'exoscopie. Cette méthode permet de retracer l'histoire géologique et l'origine des sables en les examinant au microscope électronique à balayage (MEB).

À seulement 24 ans, il présente sa première communication à l'Académie des Sciences sur ce sujet, suivi de nombreuses autres.

Entre 1973 et 1981, Le Ribault travaille en tant que chercheur contractuel au laboratoire d'océanographie de l'Université d'Orsay. Il occupe ensuite le poste de chef du service de microscopie électronique au laboratoire central de Total, à Bordeaux, jusqu'en 1981. Dès 1975, il se fait reconnaître comme étant "le chercheur ayant découvert les plus importantes applications du microscope électronique en sédimentologie".

Aujourd'hui, l'exoscopie est utilisée dans le monde entier, tant en sédimentologie qu'en géologie minière, exploration pétrolière, archéologie, océanographie, travaux publics et criminalistique.

« Il suffit de contempler un simple grain de sable, et tu verras en lui toutes les merveilles de la Création. »

Paulo Coelho – L’Alchimiste, éditions Anne Carrière, 1995)

Balade sur un grain de sable

Ce qu'il faut savoir avant le voyage

Le micron

Le micron, également connu sous le nom de micromètre ou µm en abrégé, correspond à un millième de millimètre. Il s'agit d'une échelle bien différente des kilomètres parcourus par les automobilistes sur les autoroutes. Pour mieux comprendre, un kilomètre équivaut à un milliard de microns…

Dans cette rubrique, certaines photos présentent une barre d'échelle en µm, tandis que d'autres affichent uniquement le niveau de grossissement. Il est important de savoir qu'avec un grossissement de 1 000 fois, un centimètre sur la photo représentera 10 µm, tandis qu'avec un grossissement de 10 000 fois, un centimètre ne représentera qu'1 µm.

Microscope électronique à balayage

Le véhicule que nous utiliserons pour ce voyage est le microscope électronique à balayage.

Depuis son utilisation dans les années 60, il a connu des améliorations considérables.

En 1970, il permettait des agrandissements progressifs allant de 10 fois à 20 000 fois. En 2004, il est même possible d'atteindre des agrandissements allant jusqu'à 900 000 fois.

À titre d'exemple, à un agrandissement de vingt mille fois, le diamètre d'un grain de sable d'un millimètre représente vingt mètres, soit une surface d'un kilomètre carré à explorer.

Le principe de fonctionnement du M.E.B est le suivant: un faisceau d'électrons, finement focalisé et dévié à travers des lentilles électromagnétiques, balaye rapidement la surface de l'échantillon. Lorsque les électrons primaires frappent l'échantillon, il émet à son tour des électrons secondaires qui sont utilisés pour créer une image lumineuse sur un écran ou une plaque photographique grâce à un effet photo-électrique.

De plus, en exploitant les émissions provenant de la surface des échantillons, le M.E.B permet non seulement de restituer l'image morphologique de l'échantillon, mais également de fournir une analyse chimique élémentaire grâce aux spectromètres dispersifs d'énergie qui peuvent être couplés avec le M.E.B.

Le sable

Dans le langage courant, le sable est un matériau mou constitué principalement de grains de quartz, appelés grains de sable. La plupart de ces grains ont un diamètre compris entre 1/16 de millimètre et 2 millimètres.

Les figures suivantes montrent l'exploration de la surface d'un grain de sable au microscope électronique à balayage (MEB). À un grossissement de 100 fois (Figure 1), le grain est entièrement visible. On peut observer qu'il a une forme arrondie et une surface propre, avec plusieurs dépressions circulaires de grande taille et deux stries horizontales profondes visibles à droite de l'image. Nous allons explorer l'une de ces stries, la strie inférieure. À un grossissement de 1 000 fois, on peut apercevoir un ovale qui correspond à une diatomée, une algue unicellulaire qui fait partie du plancton (Figure 2). Elle est enfermée dans une coque en silice appelée frustule, finement ornée et formée de deux parties emboîtées. Le grain sur lequel repose la diatomée est composé de quartz volcanique, et sa surface est partiellement recouverte d'une pellicule de verre qui s'est remplie de bulles d'air en refroidissant. Cela explique l'aspect alvéolé du fond de la strie. À un grossissement de 5 000 fois (Figure 3), la diatomée est clairement visible, nichée au fond d'une des anciennes bulles d'air de la pellicule de verre. À un grossissement de 10 000 fois (Figure 4), on peut observer les moindres détails, y compris la jonction entre les deux valves du frustule.

X100

X1000

X5000

X10000

La solubilité

La solubilité d'un corps correspond à la quantité de substance qui se dissout dans une certaine quantité de liquide.

Par exemple, lorsque l'on met un morceau de sucre dans une tasse de café, il se dissout rapidement car le café n'est pas saturé en sucre. Cependant, si l'on ajoute plusieurs morceaux de sucre, seuls quelques-uns vont se dissoudre et les autres vont rester au fond de la tasse, car le café devient sursaturé en sucre. Au bout d'un certain temps, une partie du sucre en solution va même se redéposer sous forme de petits globules.

Ce phénomène s'applique à tous les éléments plongés ou en contact avec un liquide. Par exemple, la solubilité du quartz dans l'eau est d'environ 7 à 15 milligrammes par litre, tandis que la solubilité de la silice amorphe est de 115 à 140 milligrammes par litre. Cela signifie que la silice amorphe est beaucoup plus soluble que le quartz et se dissoudra donc plus rapidement.

L'exoscopie des quartz

Le principe de l’exoscopie des quartz est simple : chaque environnement naturel laisse des traces de forme et de taille spécifiques sur les grains de quartz, provenant de différents facteurs d'origines physiques, chimiques, mécaniques et biologiques. Lorsque les grains changent de milieu, ces traces sont interprétées de manière spécifique en fonction des caractéristiques du nouvel environnement.

L’exoscopie repose sur l'identification et l'interprétation de 250 caractères de base, qui sont comme les lettres de l'alphabet. Ces caractères permettent non seulement de déterminer précisément le lieu de dépôt d'un grain de sable, mais aussi de retracer son histoire géologique et, dans certains cas, son origine géographique.

Au cours de notre voyage, nous ne verrons que quelques-uns des caractères les plus spectaculaires. Cependant, ils suffiront à vous montrer que, tout comme les êtres humains, il est mathématiquement impossible de trouver deux grains de sable identiques en tous points. Chaque grain porte une multitude d'informations spécifiques sur son origine et sur chaque étape de son existence.

La naissance du quartz

Au commencement de notre histoire, le quartz voit le jour. Ce cristal est composé de silice anhydre, c'est-à-dire qu'il ne contient pas d'eau, et est constitué d'un atome de silicium et de deux atomes d'oxygène.

Un cristal, quel que soit sa nature, se forme comme une maison, petit à petit. Les molécules qui le composent sont les briques qui s'agencent pour former la structure cristalline du cristal. Par exemple, le sel de cuisine, le chlorure de sodium, cristallise dans le système cubique, tandis que le quartz cristallise dans le système hexagonal.

Prenons l'exemple d'un quartz provenant d'un granite. Lorsque le magma, une masse visqueuse qui monte lentement des profondeurs de la terre, se refroidit progressivement, différents types de cristaux se forment, principalement des micas, des feldspaths et des quartz. Ces derniers, qui sont les derniers à cristalliser, doivent trouver de l'espace entre les autres cristaux déjà bien formés, ce qui affecte leur forme : ils sont informes, tordus et contraints de se mouler entre les cristaux qui ont cristallisé plus rapidement. On les appelle des cristaux xénomorphes.

En revanche, dans une roche volcanique, la lave monte rapidement depuis les profondeurs de la terre sous forme d'une masse visqueuse et chaude, puis se solidifie en refroidissant en surface. Cette fois, les quartz ont l'opportunité de cristalliser en premier : n'ayant aucune contrainte spatiale dans le magma qui se refroidit, ils peuvent prendre de magnifiques formes cristallines, comme les quartz bipyramidés. On les appelle des cristaux automorphes, car ils présentent une apparence géométrique parfaite.

Dans ce cas, les cristaux de quartz doivent se conformer aux autres cristaux en occupant l'espace qui leur est laissé.

À ce stade de leur existence, les nouveaux cristaux de quartz, qu'ils soient autoformes ou xénomorphes, sont protégés des agressions extérieures au sein de la roche qui les a engendrés, connue sous le nom de roche mère. Ils préservent encore tous les caractères qu'ils ont acquis à leur naissance : taille, forme, inclusions et apparence.

Cependant, même pour un quartz, toutes les bonnes choses ont une fin. En effet, à mesure que la roche mère atteint la surface, elle est soumise à des processus d'altération de plus en plus agressifs.

L'altération de la roche mère

Peu à peu, les eaux de pluie, la rosée, le gel et divers agents agressifs tels que les acides produits par les lichens, les plantes et les bactéries, vont altérer de plus en plus profondément la roche mère. Les eaux riches en agents agresseurs circulent depuis la surface à travers la roche mère.

lichens

Bactéries

x1000

Dans un premier temps, les fluides qui circulent dans les pores sont fortement sous-saturés en silice dissoute. Ils vont alors corroder les cristaux de quartz présents. Ces attaques chimiques laissent des marques durables sur la surface des cristaux : on peut observer des triangles en creux, qui témoignent de l'ordonnancement parfait de la structure cristalline du quartz. Ces triangles en creux sont en réalité les vestiges de molécules de silice qui ont été dissoutes par la corrosion. Ces figures de dissolution sont illustrées dans les exemples ci-dessous.

Ensuite, au fur et à mesure que les liquides corrosifs s'écoulent et pénètrent en profondeur dans la roche, ils se chargent en silice qu'ils dissolvent de plus en plus abondamment, jusqu'à en devenir saturés. En conséquence, ils libèrent cette silice sous forme de dépôts de silice amorphe, prenant la forme de globules, de pellicules écailleuses ou de superbes fleurs de silice.

Les premiers pas

Sous l'effet des attaques chimiques, la roche mère perd sa cohésion et se désintègre progressivement, libérant ainsi une partie de ses minéraux sous forme de grains de sable. Cette accumulation de grains constitue ce qu'on appelle une arène. Par exemple, dans le cas d'un granite, l'arène est un mélange de cristaux de feldspath, de quartz et de mica. Les conditions météorologiques, telles que la pluie, le gel et la dissolution, entraînent la disparition des éléments les plus fragiles et solubles, laissant seulement les cristaux résistants, en particulier le quartz.

L'épaisseur de l'arène peut être considérable, donnant ainsi naissance à un sol plus ou moins épais. À ce stade, les grains de sable n'ont pas encore été transportés et sont totalement immobiles. Leurs seuls mouvements éventuels sont dus à l'activité de la faune du sol, tels que les vers de terre et les fourmis.

Ensuite, avec les précipitations, l'arène ou le sol sont emportés, libérant ainsi les grains de quartz qui finissent par atteindre un cours d'eau. C'est là qu'ils commencent leur véritable existence en tant que grains de sable.

La glace

Dans les régions où le climat est froid, les grains sont souvent soumis à l'action des glaciers. Lorsqu'ils sont fortement comprimés les uns contre les autres, des figures de broyage se forment, qui présentent une morphologie distinctive. Ces figures révèlent une pression exercée avec un mouvement circulaire.

Rivières, fleuves, étangs et lac

L'eau douce, qu'elle provienne de rivières, de torrents, de lacs ou d'étangs, contient en moyenne une concentration de vingt milligrammes de silice dissoute par litre. Cela signifie qu'elle est sous-saturée en silice amorphe (qu'elle dissoudra) mais pas en quartz (qu'elle ne pourra pas dissoudre).

Le principal élément qui endommage les cristaux de quartz est le transport, pendant lequel ils se frottent les uns contre les autres. Les parties les plus exposées sont naturellement les arêtes des grains, qui sont marquées par des traces de choc et d'usure, allant des contours anguleux des plus récents aux contours émoussés des plus anciens, et toutes les variations possibles entre ces deux extrêmes. Ces traces sont évidemment plus visibles et plus nombreuses lorsque l'énergie du transport est élevée.

Le frottement des grains les uns contre les autres entraîne inévitablement une usure progressive de leurs arêtes les plus pointues. On peut observer sur la figure ci-dessous des diatomées fluviales qui sont maintenues en place grâce à des dépôts de silice amorphe sur les surfaces planes et dans les creux, et dont les bords sont légèrement polis, présentant des traces de choc.

Dans les lacs et les étangs, milieux de très basse énergie, les grains ne sont pas brassés, mais au contraire peuvent être tapissés d’argile.

Plus ou moins vite selon l’énergie du transport, notre grain s’en va ensuite vers la mer et arrive sur une plage.

Chocs à gradient de polissage

Grain fluviatile

Argile
x10 000

Les plages maritimes

L'eau de mer présente une concentration très faible en silice dissoute, inférieure à un milligramme par litre en moyenne, avec un maximum de quatre milligrammes par litre. Par conséquent, elle est sous-saturée non seulement en silice amorphe, mais aussi en quartz. Même dans les parties de l'océan ayant les concentrations les plus élevées en silice dissoute, la saturation par rapport au quartz n'est que de dix pour cent par rapport à la silice amorphe.

Les plages marines se caractérisent par les marées hautes et basses, formant ce qu'on appelle la zone intertidale ou la zone de battement de marée. Pendant les marées hautes, les sables se trouvent immergés dans l'eau de mer, qui est très faiblement saturée en silice dissoute, et sont soumis à un brassage plus ou moins intense selon la force des vagues. Ainsi, les arêtes des grains sont affectées par des traces de choc à gradient de polissage, similaires à celles rencontrées dans les rivières. Cependant, un autre phénomène se produit : l'eau de mer corrode ces traces de choc, ce qui génère des figures de dissolution similaires à celles observées dans les sols, mais qui sont localisées spécifiquement sur les arêtes des grains.

Pendant les marées basses, les grains se retrouvent exposés à l'air libre. Leur surface n'est généralement pas lisse et présente des dépressions dans lesquelles de minuscules gouttelettes d'eau de mer stagnent. À l'échelle microscopique, ces gouttelettes représentent de véritables étangs salés où des diatomées et des bactéries peuvent vivre. À mesure que l'eau s'évapore progressivement, la quantité de silice dissoute qu'elle contient reste la même, provoquant une sur-saturation en silice dissoute. Celle-ci précipite ensuite sous forme de dépôts globuleux qui enferment peu à peu les micro-organismes vivant dans les dépressions.

Le vent

Lorsque le vent souffle pendant les basses mers, les grains qui émergent sont exposés à l'éolisation, c'est-à-dire à l'action du vent. Ils ne sont plus protégés par une pellicule d'eau, ce qui entraîne des chocs violents entre eux et crée des traces caractéristiques. Selon l'intensité de ces impacts, les traces peuvent avoir la forme de V de choc ou de croissants de choc. Fraîchement formées, ces traces présentent des angles vifs, mais elles ne seront polies que si les grains retournent dans l'eau de mer et sont brassés à nouveau.

Dans le cas contraire, les grains poussés vers la terre s’accumuleront en formant des dunes littorales qui dominent les plages. Là, il arrive que le sel (chlorure de sodium) provoque la formation de fleurs de silice orthogonales.

Chocs éoliens

Fleur
orthogonale

Le milieu sous marin

Le milieu sous-marin, situé entre les marées les plus hautes et les profondeurs abyssales, reste en permanence immergé. Dans ce milieu, les grains de sable sont constamment en contact avec l'eau de mer, qui est déficitaire en silice amorphe et même en quartz.

Cela signifie que les grains de sable seront progressivement débarrassés de tous les dépôts siliceux qui les recouvrent, leur surface deviendra extrêmement propre. Ensuite, le quartz lui-même sera attaqué, ce qui entraînera l'apparition de nouvelles figures de dissolution. Au fur et à mesure, ces figures de dissolution creuseront les anciennes traces de choc laissées par les épisodes sédimentaires précédents. La figure suivante illustre ces croissants de choc éoliens qui ont été exploités par le processus de dissolution, sur lesquels apparaissent les caractéristiques figures triangulaires en creux.

Le repos du sable

Il arrive parfois que les quartz fassent des arrêts au cours de leur voyage. Cela se produit notamment lorsqu'ils se déposent dans des environnements de faible énergie, tels que les marécages.

Dans ces endroits, des conditions physico-chimiques et organiques très particulières sont présentes. Cela entraîne l'apparition de microcristaux variés sur les grains de quartz, tandis que des particules d'argile se collent à leur surface.

Lorsque ces arrêts se prolongent - parfois pendant des millions d'années - il peut y avoir une régénération complète des grains. En effet, à l'intérieur de la couche de sable immobilisée, circulent des fluides riches en silice dissoute. Lorsque cette silice précipite, de minuscules cristaux de quartz se forment sur les grains. Au fil du temps, ces microcristaux se développent jusqu'à recouvrir complètement le support ; les grains de sable se retrouvent alors cimentés les uns aux autres. Ce processus entraîne la formation de grès, que l'on peut trouver en surface, comme les grès de Fontainebleau ou en profondeur, comme les grès diagenétiques, qui peuvent être des réservoirs de pétrole.

Quand ces roches subissent une altération, due à des changements climatiques ou à l'érosion, le grès se désagrège, libérant ainsi des grains entièrement régénérés. Les nouvelles pousses de cristaux masqueront les anciennes cicatrices.

Ces grains, sans mémoire, qui semblent vierges de toute vie antérieure, repartiront alors pour de nouvelles aventures éternelles.

L'homme de Tautavel

L'étude des sables de la Caune de l'Arago est un exemple remarquable de l'utilisation de l'exoscopie. Le charmant village de Tautavel est réputé pour ses délicieux vins muscat, mais il abrite également une grotte (la Caune de l'Arago) qui a été mentionnée pour la première fois par le naturaliste Marcel de Serres en 1838, puis redécouverte en 1948 par Jean Abelanetj, qui y a observé des vestiges d'industries préhistoriques. Entre 1948 et 1962, des passionnés locaux ont entrepris des recherches, et à partir de 1964, Henry de Lumley a organisé chaque été des fouilles archéologiques.

Le premier crâne humain a été découvert le 22 juillet 1971. Il appartenait à un Homo erectus vieux d'environ 450 000 ans. Par la suite, plusieurs autres crânes et de nombreux ossements ont été mis au jour. Afin de déterminer l'environnement dans lequel évoluait l'Homme de Tautavel, toutes les méthodes scientifiques ont été utilisées, y compris l'exoscopie.

Les grains de sable de la Caune de l'Arago conservent des traces de leur altération initiale, suivie d'un long transport par un cours d'eau, puis d'une exposition à l'air libre dans un climat aride. Les sables ont ensuite été remaniés par un fleuve qui les a finalement abandonnés. Les alluvions se sont ensuite trouvées soumises à d'importants processus de formation des sols, avant d'être à nouveau déplacées par de violentes rafales de vent et d'être déposées à l'entrée de la grotte, dans laquelle certains éléments ont pu pénétrer grâce aux ruissellements.

Dans l'ensemble, l'étude des sables de la Caune de l'Arago grâce à l'exoscopie permet de retracer l'évolution de l'environnement dans lequel l'Homme de Tautavel vivait il y a des milliers d'années.