Analyse PIXE et SEM-EDX du dépôt superficiel

L’analyse élémentaire du dépôt grâce à l’ICP-MS nous donne une identification précise des éléments et une détermination de leur concentration. Cependant, la localisation histologique et les structures ayant une composition élémentaire spécifique ne sont pas discernées. Cela justifie notre choix de couplage des différentes méthodes d’analyses qui nous permettent d’avoir plus d’information sur le matériel étudié.

La Figure 4.3 illustre la répartition de 6 éléments (Ca, K, Mn, Fe, Zn et Cu) analysés par la méthode PIXE lors de l’observation d’un dépôt de surface échantillonné sur un frêne de 4 ans.

L’échelle colorimétrique située à droite de chaque image nous donne une concentration en unités arbitraires allant du bleu (concentration la plus faible) jusqu’au vert (concentration la plus forte).

Les images du calcium et du potassium nous donnent des concentrations homogènes (environ 40 unités arbitraires (u.a) pour Ca et 12 u.a pour K. On distingue des zones plus concentrées (jusqu’à 115 pour Ca et 25 pour K) qui semblent correspondre à des particules pour Ca et à des agrégats pour K.

Pour Mn, Fe, Zn et Cu, les concentrations sont hétérogènes et les fortes concentrations sont sous forme particulaire (particules bien visibles pour le fer). Sur l’image du fer, une zone plus concentrée est bien visible (dans l’encadré) d’une taille de 45µm de diamètre (environ 130 u.a), mais il est difficile de dire s’il s’agit d’une particule ou d’un agrégat. En reportant la même zone aux cartes des autres éléments, on retrouve une concentration plus élevée pour le manganèse qui possède d’ailleurs d’autres zones communes avec le fer (dans les cercles) qui correspondent à des particules. La situation est plus ambiguë pour Zn et Cu et ne semble pas être retrouvée pour Ca et K. Il s’agirait donc de particules multiélémentaires qui contiendraient du fer et du manganèse d’origine atmosphérique très probable (ainsi que d’autres éléments qui n’apparaissent pas dans ce dosage). Cette méthode nous donne donc une cartographie de la répartition des éléments dans le dépôt mais la limite de sensibilité de cette méthode est rapidement atteinte pour les éléments sous forme de trace. De plus, elle ne nous permet pas d’observer directement les particules intégrées au dépôt (mais une image transformée) et présente une trop faible résolution.

IV.3. Résultats

Figure 4.3 : Analyse PIXE de 6 éléments : Ca, K, Mn, Fe, Zn et Cu sur un dépôt obtenu par lavage de l’écorce d’un frêne de 4 ans. Les concentrations sont données en unité arbitraire sur

le côté droit des images PIXE. Charge : 5,8476 µC ; pas du faisceau : 5×5 µm ; surface analysée : 1000×1000 µm.

La Figure 4.4 représente un cliché (obtenu avec un microscope électronique à balayage) de la surface de l’écorce d’une tige de frêne de 4 ans non lavée. Grâce à la technique SEM-EDX, on peut sélectionner des particules sur le champ étudié et obtenir un spectre qui traduit le profil élémentaire de la particule en question (grâce à l’émission de rayons X) (Figure 4.6).

Figure 4.4 : Surface de l’écorce d’une tige de frêne de 4 ans observé au microscope électronique à balayage, illustration du dépôt de surface (grossissement ×1800).

Le dépôt de surface est un mélange complexe de composés inorganiques, aussi bien sous une forme solide qu’associée à de la matière organique, plus ou moins étroitement liée à elle ou adsorbée sur les dérivés de silice d’origine géogénique tels que des argiles.

La structure des particules inorganiques solides, avec une composition relativement simple peut être facilement identifiée par SEM-EDX (Figure 4.4). Dans cette matrice, de nombreuses particules plus ou moins brillantes sont visibles. Leur taille est comprise entre 1 et 15 µm. L'émission de rayons X a été obtenue avec l’EDX pour les trois plus grosses particules présentes dans la photographie. Comme le montre la Figure 4.5, la particule 4 est composée de fer, de calcium et de silicate, la particule 8 est une particule riche en calcium (calcite) et la particule 11 est un silicate d’alumine (mullite).

IV.3. Résultats

Figure 4.5 : Spectres d’émission de rayons X de 3 particules analysées par SEM-EDX dans le dépôt de surface (indiqués par les numéros 1 à 17 dans la figure 4.4).

Spectre 4 Spectre 8 Spectre 11 Énergie (KeV) Énergie (KeV) Énergie (KeV) Spectre 4 Spectre 8 Spectre 11 Spectre 4 Spectre 4 Spectre 8 Spectre 8 Spectre 11 Spectre 11 Énergie (KeV) Énergie (KeV) Énergie (KeV)

La plupart des particules observées dans cette carte se composent de calcium, comme la particule 8 avec une origine géogénique très probable.

Deux groupes de particules inorganiques peuvent être détectés par SEM-EDX : les minéraux d’origine géogénique, d'une part, et les contaminants atmosphériques d’origine anthropique, d’autre part. Pour certains de ces éléments, leur origine peut être beaucoup plus ambiguë. C'est le cas, par exemple, du fer. Des particules sphériques (cendres volantes) ont de toute évidence été formées à haute température par la fonte des éléments les constituant. Certaines sont composées soit de silicate d’alumine (mullite) ou encore de fer métallique (Yue et al., 2006). Nous avons observé une des cendres volantes composées de silice dans le dépôt de surface débarassée de sa matière organique par un traitement à l’eau oxygénée (H2O2) d’un frêne âgé de 4 ans (Figure 4.6).

Figure 4.6 : cliché d’un dépôt de surface après traitement à l’eau oxygénée (H2O2) d’une écorce de frêne de 4 ans (SEM-EDX, grossissement × 1360).

Notre étude montre de nombreuses particules composées de Si, Al et Ca. Si, Si et Al entrent dans la composition de l'argile ; le calcium est un élément majeur du sol. Le résultat SEM-EDX est cohérent avec l'analyse ICP-MS du dépôt (Tableaux 4.3, 4.4 et 4.5) où Si, Al et Ca sont les éléments les plus concentrés dans le dépôt de surface. Ce résultat montre l'influence de la contamination d'origine géogénique dans le dépôt libre.

IV.3. Résultats