Test visuel sur l'attraction magnétique des matières gemmes

Thierry Pradat, FGA  -  Jean-Pierre Gauthier

(article paru en Mars 2011 dans la Revue de Gemmologie AFG, No. 175, pp. 14-18)

INTRODUCTION

Les propriétés magnétiques de certains minéraux sont connues depuis des millénaires. Dans l'antiquité, Pline l'ancien parlait déjà des "pouvoirs magiques" de la magnétite alors qu'un ouvrage chinois publié entre 70 et 80 après J.-C. mentionnait l'attraction d'une aiguille par un "aimant", ce que l'on connaît aujourd'hui sous le nom de boussole (Li Shu-hua, 1954). En 1839, J.J. Berzelius évoquait l'état de polarité du minerai de fer magnétique et en 1943, P.W. Selwood décrivit les différentes méthodes de mesure de la susceptibilité magnétique des molécules dans leur ensemble. C'est en 1958 que le gemmologue B.W. Anderson a cherché à mesurer les différences d'attraction des matières gemmes sous l'action d'une même excitation magnétique. Les moyens et les tests furent améliorés à partir des années '90, avec l'apparition d'une nouvelle génération d'aimants plus stables et plus puissants.

L'origine du magnétisme dans un matériau se situe à un niveau ultramicroscopique : il provient de la rotation de l'électron autour de lui-même, créant un dipôle magnétique, un minuscule aimant, caractérisé par son "spin". En l'absence de champ magnétique extérieur, les spins des électrons attachés aux atomes présents dans la structure d'un matériau peuvent s'orienter de manière totalement désordonnée, conduisant à une aimantation globale nulle ou très faible. Ils peuvent dans d'autres cas s'organiser de façon plus ou moins structurée, conférant au matériau une aimantation permanente.

Un champ magnétique appliqué pourra modifier la répartition des spins et tendre à leur donner une direction privilégiée, c'est à dire conférer une aimantation à des matériaux qui n'en possédaient pas (Néel, 1948). Ce champ magnétique sera, dans le contexte expérimental décrit ici, créé par un aimant permanent. On caractérise alors l'aimantation du matériau par un coefficient reliant le champ magnétique (la cause excitatrice) à l'induction magnétique (l'effet induit). Ce coefficient, appelé susceptibilité magnétique, est caractéristique du matériau.

Ceci dit, il est possible de classer les matières gemmes en cinq catégories :

  • Diamagnétique : le matériau ne possède pas d'aimantation spontanée mais, en présence d'un champ magnétique extérieur, il peut acquérir une aimantation très faible dirigée en sens contraire du champ d'excitation. Le matériau est théoriquement repoussé par un aimant (susceptibilité magnétique négative), ce qui est impossible à constater dans le cadre du test proposé dans le présent article. Toutes les matières gemmes ont une composante diamagnétique. Les plus représentatifs sont les feldspaths, les quartz, le diamant ou la calcite.

  • Paramagnétique : le matériau ne possède pas d'aimantation spontanée mais, en présence d'un champ magnétique extérieur, il acquiert une aimantation dirigée dans le même sens que ce champ d'excitation. La susceptibilité magnétique est positive et en général assez faible. Le matériau peut être attiré par un aimant de manière très faible à sensible. La plupart des gaz, certains métaux, dont les matériaux alcalins, et quelques sels sont paramagnétiques, ainsi que les grenats, amphiboles, pyroxènes, olivines ou tourmalines.

  • Ferromagnétique : Les spins s'alignent dans des régions appelées domaines magnétiques et confèrent au matériau une aimantation, même en l'absence de champ externe. Si les domaines sont trop petits, avec des orientations aléatoires d'un domaine à l'autre, l'aimantation résultante est faible. L'aimantation augmente par application d'un champ externe qui tend à aligner tous les domaines, mais l'aimantation chute brusquement à une certaine température dite de Curie, en raison de la forte agitation thermique qui détruit cet alignement.

  • Antiferromagnétique : Les spins sont alternativement opposés, ce qui conduit à une aimantation résultante nulle ou presque. Ex: oxydes de chrome, de manganèse, de nickel, certains oxydes de fer dont l'hématite ou sulfures de fer dont la pyrite, etc. Mais au-dessus d'une certaine température dite de Néel, l'agitation partielle détruit cette alternance et le matériau retrouve une aimantation, qui va de nouveau s'atténuer si la température monte encore en raison de l'augmentation de l’agitation thermique. Notons que ces minéraux peuvent devenir faiblement paramagnétiques par modification de leur structure moléculaire ou en raison de l'existence d'impuretés.

  • Ferrimagnétique : C'est le cas typique de la magnétite Fe3O4, comportant deux ions Fe3+ et un ion Fe2+. Les deux types d'ions Fe3+, l'un dans une lacune octaédrique et l'autre dans une lacune tétraédrique de la structure, ont leurs spins opposés, et donc leur effet s'annulent, tandis que les ions Fe2+, situés dans des lacunes octaédriques, ont leurs spins parallèles et sont donc responsables de l'aimantation. La  structure atomique spécifique de ce type de matériau (les ferrites) lui confère un très grand pouvoir magnétique. A titre de comparaison, la susceptibilité magnétique de la magnétite est un million de fois plus grande que celle des matières diamagnétiques. Au-dessus de leur température de Curie, ces matériaux redeviennent paramagnétiques.

Notons que le diamant, naturel ou synthétique, en principe diamagnétique, peut se comporter comme une matière paramagnétique ou ferromagnétique s'il contient suffisamment d'inclusions classées comme telles.

- Les ions paramagnétiques les plus magnétogènes sont, dans l'ordre (Hoover et al., 2007 & 2008) :
     Fe3+, Mn2+ et Fe2+
- Puis viennent, ce qui est déjà impossible à constater dans le cadre de ce test :
     Mn3+ et Cr2+
- Ensuite dans une moindre mesure :
     Co2+, Cr3+, V2+, Ni2+, V3+, Cu2+, Ti3+, V4+
- Certains ions des terres rares (ETR), tous trivalents, sont magnétogènes, parfois dans de fortes proportions. Dans l'ordre :
     Dy3+, Ho3+, Er3+, Tb3+, Gd3+, Tm3+, Yb3+, Nd3+, Pr3+, Eu3+, Ce3+, Sm3+


TYPE D'AIMANT

Pour ce test, un simple aimant suffit. Il en existe quatre types distincts :

  • Aimant-Fe : désigne ici un aimant standard ou ferrite, de composition Fe2O3, à base d'oxyde de fer. Ce type d'aimant est délaissé car son énergie magnétique est trop faible à comparer à celle des aimants de dernière génération.

  • Aimant-Al : désigne ici un aimant puissant, de composition AlNiCo à base d'aluminium, de nickel et de cobalt. Il est instable et donc non fiable car il a tendance à se démagnétiser trop rapidement.

  • Aimant-Sm : désigne ici un aimant SmCo à base de samarium et de cobalt. Son coût élevé et son pouvoir magnétique trop faible n'en font pas un bon instrument pour les besoins de ce test.

  • Aimant-Nd : désigne ici un aimant puissant et permanent, de composition NdFeB à base de néodyme, de fer et de bore. Sa puissance d'attraction est 3,25 à 6,5 fois plus élevée que celle de l'aimant-Fe. De ce fait, il permet de mieux constater visuellement le pouvoir d'attraction magnétique, même sur les matières gemmes d'une teneur relativement faible en ions magnétogènes. C'est exclusivement ce type d'aimant qui sera retenu pour ce test.

Il est facile de se procurer des aimants-Nd pour quelques euros sur le web en tapant "aimant néodyme" dans un moteur de recherche. Par souci de commodité et d'efficacité, l'aimant-Nd choisi pour ce test (photo) est cylindrique, de diamètre 6 mm, de hauteur 13 mm et de produit énergétique ≈N45 (correspondant à l'énergie potentielle de l'aimant dans des conditions expérimentales bien définies).


NATURE DU TEST

Il ne fait appel à aucune formule mathématique ni aucun calcul. Il repose entièrement sur l'observation visuelle. Il n'est pas d'une grande précision scientifique mais son efficacité est suffisamment significative pour permettre de séparer un bon nombre de gemmes d'après leur teneur ou non en ions magnétogènes. La matière gemme à tester peut être brute ou taillée, en cabochon ou à facettes, d'un poids compris entre 0,10 et 30 carats. Le test peut être effectué selon trois méthodes différentes correspondant à trois sensibilités distinctes, comme l'a montré Gumpesberger en 2006. Le choix de la méthode se fera en fonction du poids de la matière gemme ou de sa teneur présumée en éléments magnétogènes.

1. Méthode directe (Anderson, 1990 ; Gumpesberger, 2006) : Placer la gemme sur une surface plane, lisse et propre, comme une plaque de verre ou une surface mélaminée, à l'écart de tout objet métallique. S'il s'agit d'un cabochon, le placer dôme en bas afin de réduire au maximum la surface de frottement. L'aimant est tenu par une extrémité et lentement approché horizontalement de la gemme à plusieurs endroits jusqu'à constater si elle est ou non attirée et avec quelle facilité.

2. Méthode du pendule (Hanneman, 1996 ; Gumpesberger, 2006) : Suspendre la matière gemme à l'extrémité d'un fil à coudre non métallique à l'aide d'un bout de ruban adhésif. L'autre extrémité est attachée à un point fixe en hauteur. Approcher doucement l'aimant horizontalement à plusieurs endroits de la gemme jusqu'à constater si elle est ou non attirée et avec quelle facilité.

3. Méthode du bateau (Hanneman, 1996 ; Gumpesberger, 2006) : Placer la matière gemme sur un petit morceau de polystyrène expansé, de liège ou de balsa qui sera à son tour déposé doucement à la surface d'une soucoupe remplie d'eau. Tenir l'aimant par une extrémité et l'approcher de la gemme horizontalement à plusieurs endroits jusqu'à constater si le "bateau" est ou non attiré et avec quelle facilité.

Il existe une autre méthode, non testée ici mais intéressante à mentionner. Elle consiste à tester une matière gemme suspendue par un fil dans un liquide de densité comparable afin d'augmenter le plus possible la sensibilité magnétique (Koivula et al., 1984).
Les méthodes du bateau à gauche et du pendule à droite sont plus adaptées pour les matières gemmes à faible teneur en ions magnétogènes ou de masse trop importante. Dans les deux cas ci-dessus, la méthode directe ne donnait aucune attraction visible. Grâce à la méthode du bateau, l'hessonite de 3,08 ct, comportant une faible proportion d'almandin, s'est visiblement déplacée sur l'eau. Quant à l'amphibole de 14,33 ct, la méthode du pendule a permis de constater une faible attraction.

Il existe des tests plus précis tels que celui proposé par D.B. Hoover et B. Williams (2007) qui nécessite le même aimant-Nd et une balance précise au 1/500ème de carat afin de "mesurer" les différences d'énergie diamagnétique ou paramagnétique d'une matière gemme à l'autre.


EFFET ET ANALYSE DU TEST

En fonction de la puissance d'attraction magnétique, quelle que soit la méthode utilisée, l'effet peut être qualifié de :

  • nul : aucune attraction visible, la matière gemme reste immobile
  • faible : attraction présente, la matière gemme bouge légèrement en direction de l'aimant
  • distinct : attraction bien visible, la matière gemme bouge assez facilement en direction de l'aimant
  • fort : attraction conséquente, la matière gemme est très facilement déplacée ou soulevée par l'aimant

Les matières gemmes riches en ions Mn2+ sont distinctement à fortement attirées par l'aimant-Nd. A gauche, une rhodonite du Brésil de 6,31 ct et à droite une rhodochrosite d'Afrique du Sud de 1,46 ct, facilement soulevée.

UTILITÉ DU TEST ET LISTE DES GEMMES À ÉLÉMENTS MAGNÉTOGÈNES

Ce test est simple, non destructif et rapide pour séparer des pierres brutes ou taillées, sur le terrain, chez un négociant ou au laboratoire. Il est particulièrement intéressant de sortir l'aimant pour vérifier des lots disparates de pierres de couleurs similaires comme celles provenant des graviers gemmifères du Sri Lanka, du Myanmar ou de Madagascar. Les grenats, faiblement à très fortement attirés par l'aimant, seront vite séparés des spinelles transparents, corindons, chrysobéryls, zircons, etc. Voici quelques exemples illustratifs de ce qu'il est possible de distinguer grâce à l'aimant-Nd (Anderson, 1990 ; TP, 2010) :

Couleur
Pas d'attraction visible
Attraction magnétique visible
rose à rouge
spinelle
grenat
orange ou vert
zircon métamicte
spessartite / démantoïde
Changement coul. vert/rouge
alexandrite
grenat à changement de couleur
vert à brun
sinhalite
péridot
vert & brun, fort pléochroïsme
andalousite
axinite
gris métallique
hématite
hématine artificielle
incolore
YAG artificiel
GGG artificiel

Pour le seul grenat, ce test aide à distinguer les différentes variétés de couleur similaire en fonction de leur degré d'attraction magnétique. Dans les nuances de rose, rouge ou orangé, les pierres fortement attirées indiquent la présence significative de molécules d'almandin et/ou de spessartite alors que les pierres nullement à faiblement attirées possèderont plutôt un nombre significatif de molécules de pyrope ou de grossulaire. Entre autres tests, les mesures de l'IR et de la densité ainsi qu'un spectre pourront confirmer l'identité de la variété.

A gauche, un lot hétéroclite de 21 gemmes en provenance des graviers gemmifères du Sri Lanka pour un poids total de 21,35 carats. A droite, ce même lot trié en trois colonnes grâce à l'aimant-Nd. L'analyse confirmera que les 11 pièces de gauche, fortement aimantées, sont des grenats var. almandin ou pyrope-almandin (rhodolite). Les 3 pièces centrales, faiblement aimantées, sont des grenats var. hessonite et les 7 pièces de droite, nullement aimantées, sont des zircons, chrysobéryls et spinelles. Notez pourtant la similitude de couleur entre les rhodolites et certains spinelles.

Les tableaux ci-après indiquent les matières gemmes au pouvoir d'attraction magnétique visible en raison de leur nombre suffisamment significatif d'ions magnétogènes. A notre connaissance, aucun article précédent n'avait fait état d'une aussi longue liste, basée sur les tests des auteurs référencés en dernière colonne.

Légende :    ETR = éléments des terres rares
Matière gemme
formule chimique
ions
magnétogènes
effet
aimant-Nd
réf.
Amphiboles :
ACTINOLITE
Ca2(Mg,Fe2+)5Si8O22(OH)2
Fe2+
faible
4,18
PARGASITE
NaCa2Mg3Fe2+Si6Al3O22(OH)2
Fe2+
faible
5,18
RICHTERITE
Na(Ca,Na)(Mg,Fe2+)5[Si8O22](OH)2
Fe2+
faible
18
Pyroxènes :
AEGIRINE-AUGITE
(Ca,Na)(Mg,Fe2+,Fe3+)Si2O6
Fe2+ / Fe3+
faible
18
BRONZITE (massive opaque)
Fe2+MgSi2O6
Fe2+
distinct à fort
3,18
DIOPSIDE ÉTOILÉ opaque
CaMgSi2O6 / Fe2+Fe3+2O4
Fe2+ / Fe3+
fort
7,15,18
ENSTATITE
(Fe2+)Mg2Si2O6
Fe2+
faible à distinct
3,18
HYPERSTHÈNE opaque
(Mg,Fe2+)2Si2O6
Fe2+
faible à distinct
3,18
Grenats :
ALMANDIN
Fe2+3Al2(SiO4)3
Fe2+
fort
7,12,15,16,17,18
PYROPE
Mg3Al2(SiO4)3
Fe2+
nul à faible
7,12,15,17,18
PYROPE-ALMANDIN (rhodolite)
(Fe2+,Mg)3Al2(SiO4)3
Fe2+
faible à fort
12,15,17,18
PYROPE-SPESSARTITE (changement de couleur)
(Mn2+,Mg)3Al2(SiO4)3
Mn2+
faible à fort
15,17,18
SPESSARTITE
Mn2+3Al2(SiO4)3
Mn2+
fort
7,12,15,16,17,18
ANDRADITE (démantoïde, topazolite, mélanite)
Ca3Fe3+2(SiO4)3
Fe2+
distinct à fort
7,12,15,17,18
GROSSULAIRE (hessonite, tsavorite)
Ca3Al2(SiO4)3
Fe2+
nul à faible
7,12,15,16,17,18
HYDROGROSSULAIRE
Ca3Al2(SiO4)3(OH)4
Fe2+
nul à faible
18
DOUBLET GRENAT-VERRE
Fe2+3Al2(SiO4)3 / SiO2
Fe2+
nul à faible
15,18
Corindons :
RUBIS ÉTOILÉ opaque Inde
Al2O3
impuretés
Fe2+ / Fe3+
nul à fort
13,18
SAPHIR bleu foncé Australie
Al2O3
impuretés
Fe2+ / Fe3+
nul à faible
16
SAPHIR ÉTOILÉ opaque
Al2O3
impuretés
Fe2+ / Fe3+
nul à faible
15
Spinelles :
SPINELLE bleu, violet
Fe2+Al2O4
Fe2+
nul à faible
15,16,18
HERCYNITE (spinelle noir)
Fe2+Al2O4
Fe2+
faible à distinct
9,18
Tourmalines :
ELBAÏTE, DRAVITE, UVITE, couleur foncée
(Ca,Na,Mg)(Fe2+,Li,Al)3Al6Si6O18(BO3)3(OH)4
impuretés
Fe2+
nul à distinct
7,12,15,16,18
SCHORL
NaFe2+3Al6Si6O18(BO3)3(OH)4
Fe2+
faible à distinct
18
Réf.: 1Weiss, 1899 - 2Nagata et al., 1957 - 3Akimoto et al., 1958 - 4Syono, 1960 - 5Vernon, 1961 - 6Rossman et al., 1984 - 7Anderson, 1990 - 8Shigley et al., 1993 - 9Johnson, 1994 - 10Kammerling et al., 1995 - 11Shigley et al., 1995 - 12Hanneman, 2002 - 13Hainschwang et al., 2003 - 14Titkov et al., 2003 - 15Gumpesberger, 2006 - 16Hoover et al., 2007 - 17Hoover et al., 2008 - 18Testé sur les échantillons de l'auteur T.P., 2010

Matière gemme
formule chimique
ions
magnétogènes
effet
aimant-Nd
réf.
ASTROPHYLLITE
K2Na(Fe2+,Mn)7Ti2Si8O26(OH)4
Fe2+
distinct à fort
18
AXINITE-(Fe)
Ca2Fe2+Al2BO3Si4O12(OH)
Fe2+
faible à distinct
18
BASTNAESITE
(Ce,La)(CO3)F
ETR
faible à distinct
18
CLINOCHLORE
(Mg,Fe2+)5Al(Si3Al)O10(OH)8
Fe2+
nul à faible
18
DIAMANT NOIR naturel
C + inclusions de Magnétite
impuretés
Fe2+ / Fe3+
nul à distinct
14
DIAMANT SYNTHETIQUE
C + inclusions métalliques de flux
impuretés
Fe2+
nul à distinct
6,7,8,10,11
EPIDOTE
Ca2(Fe3+,Al)3(SiO4)3(OH)
Fe3+
nul à distinct
7,12,15,18
EUDIALYTE
Na4(Ca,Ce)2(Fe2+,Mn2+)ZrSi6O17(OH, Cl)2
Fe2+ / Mn2+
faible à distinct
18
GASPEITE
(Ni,Mg,Fe2+)CO3
Fe2+
faible
18
GGG ARTIFICIEL toutes couleurs
Gd3Ga5O12
Fe2+ / ETR
distinct à fort
15
HEMATITE
Fe2O3
Fe2+
nul à faible
12,15,18
HEMATINE ARTIFICIELLE
(Ba,Sr)Fe12O19
Fe2+ / Fe3+
très fort
9,18
HUMITE
(Mg,Fe2+)7(SiO4)3(F,OH)2
Fe2+
nul à faible
18
CLINOHUMITE
(Mg,Fe2+)9(SiO4)4(F,OH)2
Fe2+
nul à faible
18
CHONDRODITE
(Mg,Fe2+)5(SiO4)2(F,OH)2
Fe2+
nul à faible
18
KORNERUPINE
(Mg,Fe2+)4Al6(SiO4,BO4)5(O,OH)2
Fe2+
faible à distinct
18
MAGNÉTITE
Fe3+2Fe2+O4
Fe2+ / Fe3+
très fort
18
OXYDE DE ZIRCONIUM CUBIQUE - rose, noir
ZrO2
ETR
faible à fort
15,16,18
PERIDOT (forsterite <=> fayalite)
(Mg,Fe)2SiO4
Fe2+
faible à distinct
2,7,12,15,18
PHOSPHOSIDÉRITE
Fe3+(PO4)•2(H2O)
Fe3+
distinct
18
PYRRHOTITE (pyrite magnétique)
FeS
Fe2+ / Fe3+
distinct à fort
1
RHODOCHROSITE
Mn2+CO3
Mn2+
distinct à fort
7,12,15,18
PYROXMANGITE
(Mn2+,Fe2+)SiO3
Mn2+ / Fe2+
distinct à fort
18
RHODONITE
(Mn2+,Fe2+,Mg,Ca)SiO3
Mn2+ / Fe2+
distinct à fort
7,12,15,18
SUGILITE
KNa2(Fe3+,Mn3+,Al)2Li3Si12O30
Fe3+ / Mn3+
faible
18
TEPHROITE
Mn2+2(SiO)4
Mn2+
faible à fort
15
YIG ARTIFICIEL
Y3Fe5O12
Fe2+ / Fe3+ / ETR
fort
15
Réf.: 1Weiss, 1899 - 2Nagata et al., 1957 - 3Akimoto et al., 1958 - 4Syono, 1960 - 5Vernon, 1961 - 6Rossman et al., 1984 - 7Anderson, 1990 - 8Shigley et al., 1993 - 9Johnson, 1994 - 10Kammerling et al., 1995 - 11Shigley et al., 1995 - 12Hanneman, 2002 - 13Hainschwang et al., 2003 - 14Titkov et al., 2003 - 15Gumpesberger, 2006 - 16Hoover et al., 2007 - 17Hoover et al., 2008 - 18Testé sur les échantillons de l'auteur T.P., 2010


CONCLUSION

En raison de son coût modique, de son faible encombrement et de sa facilité d'utilisation, l'aimant-Nd devrait aujourd'hui faire partie de la trousse des instruments de base du gemmologue, notamment lors de déplacements sur le terrain ou chez les négociants. Il faudra cependant veiller à ce qu'il ne soit jamais en contact ou proche d'objets sensibles au magnétisme tels que clés USB, cartes à piste magnétique, petits circuits électroniques, disques durs, etc.

Le résultat de ce test n'est pas diagnostique dans l'identification d'une matière gemme. Il donne seulement une indication de ce qu'elle peut être ou ne pas être. D'autres tests plus probants doivent être effectués, à l'aide des instruments gemmologiques de base ou des instruments avancés de laboratoire si nécessaire. D'autre part, il est prudent de ne pas tirer de conclusion trop hâtive lorsqu'une matière gemme non indiquée dans le tableau ci-dessus est magnétiquement réactive. Il se peut que la gemme soit intrinsèquement diamagnétique mais que ses inclusions soient paramagnétiques ou ferrimagnétiques. C'est notamment le cas du diamant naturel et synthétique mais aussi du quartz et d'autres silicates ou carbonates.

Pour conclure, il est probable qu'une fois calibré en gemmologie de manière standard, le magnétisme des matières gemmes effectué en laboratoire, mesuré scientifiquement, prendra de plus en plus d'importance pour aider à distinguer les différentes variétés, les gisements, les types de traitement ou les synthèses. Les ions magnétogènes n'ont pas fini de faire parler d'eux.


RÉFÉRENCES :

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- Weiss P. (1899) Sur l'aimantation plane de la pyrrhotine. Journal de Physique Théorique et Appliquée, vol. 8, § 11, pp. 542-544.

Référence supplémentaire fortement recommandée (rajoutée Juillet 2011) :
- site web de Kirk Feral : Magnetism in gemstones