LUMIERE POLARISEE ET  APPLICATIONS EN GEOLOGIE

Sommaire:
Fiche synoptique
Annexe 1 : Polarisation de la lumière naturelle
Annexe 2 : Polarisation par réflexion et phénomène de biréfringence
Annexe 3 : Facteurs de la polarisation de la lumière en géologie
Annexe 4 : Lumière polarisée et roches métamorphiques
Bibliographie
Lexique

Au début du XIX siècle, les savants européens ont découvert la lumière polarisée et s'y sont intéressés. Des scientifiques comme Huygens ou Fresnel se sont penchés sur ce sujet  et ont cherché à en connaître les causes. Dès lors il n'y a rien d'étonnant à ce que ce phénomène physique ait pris de plus en plus d'importance dans les différents domaines de la science. Ayant été tous quatre intrigués au cours d'un TP de géologie  où intervenait la lumière polarisée dans l'observation de roches, nous avons décidé d'en savoir plus et avons donc choisi comme thème principal du TPE la lumière polarisée et ses applications en géologie.
 

    Tout d'abord, nous nous sommes penchés sur le phénomène physique de la lumière polarisée. Nous avons, grâce à nos recherches (1), découvert au moins trois façons différentes de polariser la lumière: la polarisation par polaroïd, par réflexion et par biréfringence.

        Afin de comprendre en quoi consistait la lumière polarisée, nous avons dû au préalable comprendre ce qu'était la lumière naturelle. Ayant acquis le concept d'onde électromagnétique nous sommes rentrés dans le vif du sujet. Nous avons étudié séparément les trois types de polarisation. Tout d'abord nous avons étudié la polarisation par polaroïd. Elle est couramment utilisé dans les montages d'optique. Nous avons réalisé une expérience mettant en oeuvre un émetteur d'onde centimétrique. Elle nous a permis de mieux saisir ce qui se passe quand la lumière traverse un polariseur de type polaroïd et d'en tirer plusieurs conclusions.

    Puis nous somme passés à un autre type de polarisation : la polarisation par réflexion. Celle-ci a été découverte au XIX par un savant du nom de Brewster. En refaisant avec le matériel d'aujourd'hui l'expérience qu'il avait réalisée nous avons retrouvé sa conclusion et nous avons appris que le concept d'onde polarisée n'était pas absolu mais que l'on pouvait polariser plus ou moins une onde électromagnétique.

    La troisième façon de polariser la lumière est  celle de la biréfringence. Nous nous sommes rendus compte qu'aucune des polarisations précédentes n'intervenaient dans l'observation des lames minces en géologie. Nous avons réalisé une expérience qui mettait en place un système alignant un polaroïd, une lame mince et de nouveau un polaroïd. Nous avons ensuite étudiées les interactions possibles qu'il pouvait y avoir entre la lumière polarisée et les lames 1/4  et 1/2 onde que nous utilisons. Ces lames présentes des caractéristiques optiques proches de celles des minéraux que nous avons observé en géologie. Nous en avons déduit un schéma de fonctionnement d'une lame biréfringente.

    Nous nous sommes alors servis des connaissances acquises en physique pour résoudre un nouveau problème à dominance plus géologique: " A quoi sont dues les variations de couleurs en lumière polarisée analysée (LPA) ".

    Afin de trouver la solution de ce problème, nous nous somme donnés plusieurs hypothèses.

Hypothèses A :
L'épaisseur du minéral influence sa couleur. Par l'observation de lames minces de muscovites, nous avons confirmé cette hypothèse mais en lui donnant une importance relative par rapport à un autre facteur: la biréfringence.

Hypothèse B :
L'anisotropie du minéral est liée à sa couleur en LPA. Nous n'avons pas directement confirmé cette hypothèse mais nous n'avons pas fait d'observations qui seraient susceptibles de l'infirmer. D'autre part nous nous sommes rendu compte que chaque minéral pouvait se classer sur une échelle de biréfringence.

    Par ces observations nous avons par hasard trouver une troisième hypothèse: celle de la position du plan d'observation par rapport à ses axes optiques. Nous avons confirmé cette hypothèse par l'observation d'un cristal de phlogopite et nous avons en même temps expliqué les décalages de séquences de couleur pour les cristaux d'un même minéral.

    Nous avons pu par ces différentes hypothèses trouver trois facteurs intervenant dans la formation des couleurs d'une lame mince en LPA: deux facteurs mineurs, qui sont l'épaisseur du minéral et sa position par rapport aux axes optiques, et un facteur majeur qui est l'anisotropie du minéral. Cependant nous avons observé des phénomènes que nous ne savions pas expliquer et nous nous sommes rendu compte que les connaissances qui permettent de les comprendre dans le détail dépassaient la limite de notre TPE (notion de structures cristalines des minéraux mise en jeu dans la biréfringence de nos cristaux).

    Nous avons ensuite approfondi les applications de la lumière polarisée pour les roches métamorphiques. En effet, la polarisation permet de différencier les roches et les minéraux grâce à la lumière polarisée, et de mieux comprendre les réactions chimiques ayant lieu dans ces minéraux. Ces réactions peuvent être la cause de la création de nouvelles roches, que la lumière polarisée permet d'identifier plus aisément.

Expérimentation Travaux Personnels Encadrés - Lycée Martinière Monplaisir Lyon 1999-2000 Travail avec deux groupes d'option sciences expérimentales première S (total 37 élèves)  Horaire de 3 heures-élèves et 6 heures-professeurs hebdomadaires. Retour Index TPE