Les opales gemmes

Depuis une décennie, les gemmologues nantais ont largement contribué à l'avancement des connaissances sur les opales gemmes. 7 mémoires de DUG y ont été consacrés (Connoué, Rondeau, Letuve, Lanz, Mandaba, Villie, Courbes-Huillery) et 3 thèses de doctorat (Aguilar-Reyes, Rondeau, Gaillou). Ces travaux ont donné lieu à 21 publications scientifiques et 9 présentations en congrès internationaux.
L’opale, définition

L’opale est une silice amorphe ou mal cristallisée, elle est hydratée et a pour formule SiO2, nH2O. La teneur en eau de l’opale peut considérablement varier d’une opale à l’autre : celle-ci est généralement comprise entre 4 à 10 % avec des valeurs extrêmes de 0,8 % à 21 % attribuées généralement aux opales ne présentant pas de jeux de couleurs. L’opale est caractérisée par un poids spécifique d’environ 2, mais qui peut varier de 0,67 pour des variétés très poreuses (dites « hydrophanes ») qui donc flottent donc sur l’eau, à 2,3. L’indice de réfraction peut également varier, et s’échelonne de 1,37 à 1,47 (valeur moyenne représentative : 1,44). La dureté de l’opale peut varier entre 5,5 et 6,5.

Micro- à nanostructure

L’image d’Epinal de la structure de l’opale est représentée par un empilement de sphères, de 150 à 300nm de diamètre, en un réseau ordonné et non cimenté. Ce réseau permet la diffraction de la lumière pour donner naissance aux jeux de couleurs si prisée de l’opale noble

MEB opaleA
Opale A de Slovaquie observée au MEB. Cette photo est la 1ere de couverture du livre Silica. Les sphères de cette opale-A sont bien individualisées, ce qui est très rare dans les opales naturelles.

MEB opaleA ciment
Beaucoup plus souvent, les sphères de l'opale-A sont fortement cimentées.


Cependant, cette structure ne se rencontre que dans l’opale A noble, où généralement les sphères ne sont pas aussi bien individualisées que dans la figure 4, mais sont cimentées. Les opales A communes quant à elles sont également construites à partir de sphères, mais qui ne sont pas ordonnées en réseau car :

1- elles n’ont pas une taille homogène,
2- n’ont pas une forme parfaitement sphérique,
3- sont trop grosses ou trop petites pour diffracter la lumière,
4- possèdent la taille adéquate mais ne sont pas bien ordonnées.

MEB opaleA concentrique
Opale A commune blanche de Slovaquie observée au MEB après attaque à HF. Les sphères ont une taille très hétérogène, et sont faites de couches concentriques de nanograins d'environ 25 nm.

MEB opaleA allongees
Opale A commune d’Australie observée au MEB. Les sphères sont ici mal formées, souvent très allongées.

MEB opaleA petites spheres
Cette opale A commune de Slovaquie observée au MEB montre des sphères petites (80 nm) et mal arrangées.

Les composants élémentaires de ces sphères sont des nanograins (des grains de 25 nm de diamètre environ) qui s’agencent de façon concentrique, ou plus rarement de façon radiale, pour donner naissance aux sphères. Ils composent également le ciment présent entre les sphères, mais ne sont dans ce cas pas arrangés. La structure de l’opale CT gemme est de même composée de ces nanograins, mais ceux-ci ne s’arrangent jamais pour donner des sphères parfaites. Cependant, ces opales présentent une variété de structures bien plus diversifiée que celle des opales A. Beaucoup d’opales CT, et plus particulièrement les opales de feu (opales présentant une couleur dans la masse d’orange à rouge), ont une structure uniquement constituée de ces nanograins individualisés.

AFM opale
Image d’AFM (atomic force microscopy) d’une opale CT de feu commune d’Ethiopie. La structure est composée de nanograins non arrangés.


Dans les opales roses (Mexique et Pérou) qui possèdent des inclusions de palygorskite, les fibres de ces inclusions servent de « template » aux nanograins.

fibre opale rose
Opale CT commune, rose, du Mexique, observée au MEB. Les nanograins suivent les inclusions fibreuses de palygorskite.

Ces nanograins peuvent également former des plaquettes qui généralement sont groupées par paquets de 4 à 6. Ces plaquettes peuvent s’arranger entre elles pour donner les lépisphères, par ailleurs bien connues dans les opales biogéniques. Cependant et contrairement à ces dernières opales, les lépisphères des opales CT gemmes sont très souvent cimentées par des nanograins non arrangés, tout comme le sont les sphères des opales A. Sur cassure fraiche, la structure n’est alors pas identifiable, il faut alors attaquer les échantillons avec de l’acide fluorhydrique (HF) pour révéler la structure, dont on ne voit plus que l’empreinte des lépisphères dans le ciment de nanograins. Les lépisphères peuvent s’ordonner en un réseau régulier qui diffracte la lumière. Il existe donc bien des opales CT nobles, et celles-ci ne possèdent donc pas la même structure que les opales A.

lepispheres 1
 Opale CT blanche commune du Mexique observée au MEB. Les nanograins sont arrangés en plaquettes.


lepispheres 2

Opale CT blanche noble du Mexique observée au MEB. Les nanograins sont arrangés en lépisphères bien ordonnées.

lepispheres 3
Opale de feu commune du Mexique observée au MEB. Après attaque HF, les lépisphères ont été dissoutes, seuls restent les nanograins non arrangés composant le ciment.

Mode de formation

A l'aide d'un ICPMS en mode dilution, nous avons mesuré la composition chimique d'opales A et CT provenant de 11 pays afin de déterminer quelles impuretés sont présentes dans les opales et en quelle concentration. Les principales impuretés sont, dans l’ordre décroissant en concentration, Al, Ca, Fe, K, Na, et Mg (> 500 ppm). D’autres éléments ayant des teneurs plus faibles sont Ba, puis Zr, Sr, Rb, U, et Pb. La géochimie de l’opale s’est avérée être dépendante principalement de la chimie de la roche hôte, modifiée par des processus d’altération. Nous avons déterminé qu’il était possible de différencier les opales selon leur origine géologique : la concentration en Ba ainsi que les spectres de terres rares permettent de séparer les opales sédimentaires (Ba >110 ppm, anomalies en Eu et Ce) des opales volcaniques (Ba < 110 ppm, pas d’anomalie en Eu ou Ce). Il est également possible de distinguer quelques origines géographiques: les opales de feu d'Ethiopie ont une teneur en calcium bien supérieure (Ca > 1000 ppm) que leurs homologues mexicaines (moins de 500 ppm)

geochimie opales
Diagramme montrant la concentration en Ba en fonction de la concentration en Ca. Les opales ayant une teneur supérieure à 110 ppm de Ba se sont formées dans un environnement sédimentaire, tandis que celles qui ont une teneur inferieure à 110 ppm se sont formées dans un environnement de type volcanique. La concentration en Ca permet de séparer certains gisements, particulièrement les gisements du Mexique et d’Ethiopie où les opales ont pourtant une allure similaire (opales de feu).

En ce qui concerne l’origine de la couleur, nous avons par exemple déterminé que des grandes concentrations en fer induisent les couleurs les plus foncées (de jaune à chocolat). Cet élément induit également une inhibition de la luminescence pour des concentrations supérieures à 1000 ppm.

Visualisation directe du réseau réciproque

La vidéo ci-jointe est celle d'une opale noble centimétrique d'Ethiopie constituée d'un réseau de très grande qualité, continu sur l'ensemble de l'objet, ce qui est archi exceptionnel. En conséquence, au lieu de voir une mosaïque de plages de couleur, on distingue un réseau de points de différentes couleurs : c'est la visualisation du réseau réciproque (détails ci-dessous). Le point blanc qui se déplace à la surface est le reflet de la fibre optique qu'on a déplacée autout de l'opale pendant le film. Notez que la couleur de diffraction change (parfois très peu, parfois beaucoup) avec l'angle. Lorsque le noeud passe par une région moins ordonnée, la tache s'étale. Ceci correspond à ce qui se passe dans la plupart des opales nobles, où le réseau n'est bien formé que localement, mais n'est que rarement continu sur plusieurs millimètres.

Les jeux de couleur de l'opale noble sont produits par diffraction de la lumière visible sur le réseau tridimentionnel régulier de sphères de silice constituant l'opale. La plupart du temps, ce phénomène produit des plages assez homogènes de couleurs spectrales pures, assez petites, disposées en mosaique, et déjà très spectaculaires. Mais si le réseau était absolument parfait, ce ne sont pas des plages, mais de petites taches ponctuelles que l'on devrait voir, respectant la symétrie de l'empilement. Ces petites taches représentent les noeuds du réseau réciproque. Le réseau réciproque n'est autre que la transformée de Fourier du réseau "direct", notre réseau cristallin. Il est utilisé par les scientifiques pour sa commodité car les conditions de diffraction ne sont remplies qu'aux noeuds du réseau réciproque. Il est donc la plupart du temps impossible de le voir avec les yeux.

Si vous voulez en savoir plus sur les réseaux réciproques (et les opales en général), venez suivre le DUG !

Ce phénomène extraordinaire implique une parfaite continuité à l'échelle centimétrique, et donc des conditions de formation absolument calmes, sans la moindre perturbation.

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