La science des gemmes

Une gemme minérale a une composition chimique définie, écrite sous forme de formule, et un arrangement interne ordonné d’atomes. Le corindon est un oxyde d’aluminium (Al₂O₃) ; le béryl est un silicate d’aluminium et de béryllium (Be₃Al₂Si₆O₁₈) ; le diamant est du carbone seul. Les variétés d’une même espèce diffèrent surtout par les éléments traces qui se substituent aux atomes principaux du réseau, ce qui explique que le rubis et le saphir partagent une seule formule.

Les cristallographes répartissent les structures cristallines tridimensionnelles en sept systèmes cristallins : triclinique, monoclinique, orthorhombique, quadratique, trigonal, hexagonal et cubique. La gemmologie les décrit par les longueurs relatives d’axes de référence imaginaires et par les angles qui les séparent. Le système régit la forme extérieure du cristal (octaèdres pour le diamant et le spinelle, prismes à six pans pour le béryl) et, plus utile encore pour l’identification, son comportement optique. Les gemmes cubiques sont isotropes : la lumière y circule à la même vitesse dans toutes les directions. Les gemmes des six autres systèmes sont anisotropes et dédoublent la lumière en deux rayons. La composition seule ne fixe pas la structure : le diamant et le graphite sont tous deux du carbone pur, agencé différemment.

Certaines matières gemmes n’ont pas d’ordre atomique à longue distance, et donc pas de système cristallin. Le verre, la plupart des opales gemmes et l’ambre organique sont amorphes et, comme les cristaux cubiques, ils sont optiquement isotropes.

La dureté est la résistance à la rayure. Le minéralogiste Friedrich Mohs a classé dix minéraux de référence, du talc (1) au diamant (10), chacun capable de rayer ceux qui le précèdent. L’échelle de Mohs est un classement, non une mesure à pas égaux. L’essai de pénétration rend cette irrégularité évidente : la microdureté Vickers est d’environ 0.14 GPa pour le talc, 1.5 pour la calcite, 12.2 pour le quartz et 19.6 pour le corindon, tandis que le diamant se situe près de 115. La dureté compte en joaillerie parce que la poussière domestique contient du quartz : les gemmes plus tendres que 7 Mohs perdent peu à peu leur poli.

La ténacité est la résistance à la rupture et à l’écaillage, et elle est indépendante de la dureté. La jadéite se situe entre 6.5 et 7 et la néphrite entre 6 et 6.5, et pourtant toutes deux sont extrêmement tenaces, ce qui explique que les couteaux et les têtes de hache du Néolithique aient souvent été taillés dans la néphrite. Le diamant, la gemme naturelle la plus dure, peut tout de même se fendre sous un choc sec : il a quatre directions de clivage parfait, parallèles à ses faces octaédriques triangulaires. La topaze a un clivage parfait et la kunzite deux. Là où il n’y a pas de clivage, une pierre se rompt par cassure ; le quartz et le verre montrent une cassure conchoïdale, courbe et en forme de coquille.

La stabilité est la résistance à la chaleur, à la lumière et aux produits chimiques. L’opale retient jusqu’à 20% d’eau, certaines kunzites pâlissent sous une lumière vive, et les perles sont attaquées par les acides.

La densité compare le poids d’une gemme à celui d’un volume d’eau égal. Le GIA donne 3.52 (+/- 0.01) pour le diamant. La zircone cubique est bien plus dense, si bien qu’une zircone cubique d’un carat est visiblement plus petite qu’un diamant d’un carat. Les gemmologues mesurent la densité en pesant une pierre dans l’air puis dans l’eau, ou l’estiment en observant si la pierre coule ou flotte dans des liquides de densité connue.

L’indice de réfraction exprime de combien la lumière ralentit et dévie en entrant dans une gemme : le quartz donne environ 1.54, le corindon 1.762 à 1.770, le diamant 2.42. Les pierres hors du système cubique sont à double réfraction et dédoublent la lumière en deux rayons d’indices différents. L’écart entre eux est la biréfringence. La biréfringence du péridot, de 0.035 à 0.038, est assez forte pour que l’on voie chaque facette du pavillon en double à travers la couronne.

La dispersion est la variation de l’indice de réfraction avec la longueur d’onde ; elle étale la lumière blanche en couleurs spectrales, perçues comme le feu. Le graphique retient la convention gemmologique B à G, l’écart d’indice entre deux raies de Fraunhofer, l’une dans le rouge et l’autre dans le violet. Le diamant est habituellement donné à 0.044. La moissanite de synthèse, que le GIA a mesurée à 0.104, le dépasse largement.

L’éclat décrit la qualité de la lumière réfléchie par la surface d’une gemme. Il dépend de l’indice de réfraction et de l’aptitude de la surface à recevoir un poli. Le diamant a un éclat adamantin, le plus vif des types courants ; la plupart des gemmes, du quartz au corindon, ont un éclat vitreux. Les autres termes consacrés sont résineux pour l’ambre, cireux pour la turquoise, nacré pour les perles et certaines surfaces de clivage, et soyeux pour les matières fibreuses.

La transparence va du transparent au translucide puis à l’opaque. Elle dépend du matériau lui-même, des inclusions qui diffusent la lumière et de l’épaisseur, et dans certaines gemmes elle commande la valeur : la belle jadéite est prisée pour une translucidité lumineuse.

Le pléochroïsme est un changement de la couleur de fond selon la direction d’observation. Il ne se produit que dans les cristaux à double réfraction, qui absorbent la lumière différemment suivant les directions optiques. Les cristaux quadratiques, hexagonaux et trigonaux peuvent montrer deux couleurs (dichroïsme) ; les cristaux orthorhombiques, monocliniques et tricliniques peuvent en montrer trois (trichroïsme). Les matières cubiques et amorphes n’en montrent aucune. La tanzanite est fortement pléochroïque et présente trois couleurs différentes lorsqu’on tourne le cristal, et les tailleurs orientent le brut pour que la meilleure d’entre elles se présente à travers la table.

Les gemmologues décrivent la couleur par trois attributs. La teinte est la couleur de base, rouge, bleu ou vert, avec ses couleurs modificatrices. Le ton dit si la couleur paraît claire ou sombre. La saturation en est l’intensité, du grisâtre ou brunâtre au vif.

La couleur apparaît lorsqu’une gemme absorbe certaines longueurs d’onde visibles et transmet ou réfléchit les autres. Dans les gemmes idiochromatiques, l’élément colorant est un constituant principal, comme le cuivre dans la turquoise et la malachite. La plupart des gemmes sont allochromatiques : incolores à l’état pur et colorées par des chromophores en traces. Le relevé du GIA sur le corindon en dénombre six, dont Cr³⁺, Fe³⁺, V³⁺, le couple Fe²⁺ vers Ti⁴⁺ et deux couples à trou piégé qui donnent l’orange et le jaune. Le rouge du rubis demande de plusieurs centaines à quelques milliers de parties par million de Cr³⁺ ; le saphir bleu vient d’un transfert de charge intervalence, un électron passant de Fe²⁺ à Ti⁴⁺ sous la lumière, puis revenant.

Les centres colorés sont des défauts du réseau qui piègent un électron ou laissent une lacune électronique, le plus souvent après une irradiation. Le quartz fumé exige de l’aluminium en substitution du silicium, présent dans la plupart des quartz au niveau de plusieurs centaines de ppm, avant que l’irradiation puisse créer le centre à trou brun-noir. L’améthyste est un centre semblable, bâti sur le fer. Chauffer le quartz fumé à environ 400°C vide les pièges et le rend de nouveau incolore.

La fluorescence est la lumière visible qu’une gemme émet pendant qu’elle est exposée à un rayonnement plus énergétique, en général l’ultraviolet (UV). La phosphorescence est une lueur qui persiste une fois la source éteinte. Les gemmologues testent les deux avec des lampes UV à ondes longues (365 nm) et à ondes courtes (254 nm) et notent la couleur et l’intensité de la réponse.

Le GIA indique qu’environ 35% des diamants naturels incolores à jaune très pâle émettent une fluorescence sous UV à ondes longues, et que le bleu représente 97% de ces réactions, émis par le défaut N3. Le chrome fait fluorescer le rubis en rouge. Le fer est un inhibiteur fréquent dans les pierres de couleur, si bien que les rubis pauvres en fer issus de gisements de marbre, comme ceux du Myanmar, émettent une forte fluorescence.

La phosphorescence est moins fréquente et souvent instructive. Les diamants de type IIb, porteurs de bore, phosphorescent presque toujours, en bleu ou en rouge, sous UV profond, et la rémanence rouge du Hope dure plusieurs minutes. Environ 90% des diamants de synthèse obtenus par HPHT émettent une fluorescence jaune ou jaune-vert aux UV à ondes courtes, puis une phosphorescence forte et durable liée au bore, ce qui fait de cet essai un indice de tri utile. Les réactions se recoupent d’un matériau à l’autre : la fluorescence appuie une identification plutôt qu’elle ne la démontre.

Les gemmes à phénomène présentent des effets optiques dus à leur structure interne ou à leurs inclusions plutôt qu’à la seule couleur de fond. La plupart sont taillées en cabochon, en dômes lisses sans facettes, ce qui concentre l’effet.

La chatoyance, l’effet œil-de-chat, est une bande de lumière vive et unique réfléchie par de nombreuses aiguilles, fibres ou tubes creux parallèles. La bande glisse sur le dôme lorsque la pierre bouge. Le chrysobéryl œil-de-chat en est l’exemple classique. L’astérisme est la même réflexion, produite par deux ou trois familles d’aiguilles qui se croisent, d’où une étoile. Dans le corindon, les aiguilles sont ordinairement de rutile, et le GIA mentionne quatre, six ou parfois douze branches, six étant le cas courant.

Le jeu de couleurs de l’opale noble relève de la diffraction. Des sphères de silice de taille uniforme, empilées en réseaux ordonnés qui se comportent comme des cristaux photoniques tridimensionnels, décomposent la lumière blanche en plages de couleurs spectrales pures, changeantes selon l’angle d’observation. Les sphères plus petites donnent le bleu et le violet, les plus grosses le rouge, l’orange et le vert. L’adularescence est le reflet blanc bleuté, doux et flottant, de la pierre de lune, bâtie de couches alternées de feldspaths orthose et albite. La lumière se diffuse entre ces couches microscopiques et interfère : plus les couches sont fines et régulières, plus l’effet est fort.

La labradorescence est le large éclat bleu, vert, doré ou orange qui balaie la labradorite lorsqu’on l’incline. Lors d’un refroidissement lent, le feldspath se sépare en lamelles alternées, et la lumière réfléchie par les couches successives interfère ; la couleur obtenue suit la diffraction de Bragg sur l’empilement. Dans une labradorite à labradorescence jaune, les lamelles les plus épaisses mesuraient en moyenne 129 nm et les plus minces environ 64 nm, soit une période de 193 nm qui renvoie une réflexion proche de 597 nm.

L’aventurescence est un pailletage scintillant dû à de petites plaquettes réfléchissantes. Dans le feldspath pierre de soleil, ce sont du cuivre métallique ou des oxydes de fer comme l’hématite ; le quartz aventuriné doit son scintillement à des plaquettes de mica.

Le changement de couleur est un déplacement de la teinte apparente entre la lumière du jour et la lumière incandescente. L’alexandrite possède une bande d’absorption proche de 580 nm et transmet à la fois le vert et le rouge : elle paraît verte à vert bleuté à la lumière du jour, et rouge à rouge pourpré sous une lampe. Certains saphirs, grenats et spinelles en montrent des versions plus faibles, et le vanadium peut le produire dans le corindon.

L’irisation est une couleur structurale née de l’interférence de la lumière réfléchie ou diffractée par des structures submicroniques. Elle apparaît dans l’agate de feu, dans l’orient de surface des belles perles et le long de fines fissures remplies d’air dans le quartz.

Les inclusions sont les cristaux, les fluides, les fractures et les figures de croissance enfermés dans une gemme. Peu de pierres en sont dépourvues, et leur agencement est en pratique unique dans chaque pierre. Elles enregistrent aussi comment et où l’hôte a grandi : les gemmologues les lisent pour séparer le naturel du synthétique, détecter un traitement et proposer une origine géographique.

La soie est un réseau de fines aiguilles de rutile dans le corindon. Elle adoucit la couleur, peut produire des étoiles et se modifie visiblement lorsqu’on chauffe une pierre, ce qui en fait un indice majeur pour détecter le traitement thermique. Les aiguilles sont des cristaux ou des tubes allongés isolés. Les givres sont des fractures, que l’anglais appelle feathers pour leur aspect plumeux ; dans le diamant, les givres qui atteignent la surface sont les ouvertures qu’exploitent les produits de remplissage. Les fissures et inclusions caractéristiques de l’émeraude s’appellent son jardin, terme français passé tel quel dans l’usage du négoce, et les négociants s’attendent à les y trouver.

Certaines inclusions orientent vers une localité. Les émeraudes de Colombie contiennent souvent des inclusions triphasées : une cavité dentelée renfermant un liquide salé, une bulle de gaz et un minuscule cube d’halite (sel gemme), piégés depuis les saumures chaudes qui ont déposé les émeraudes. Les grenats démantoïdes, notamment ceux de l’Oural russe, peuvent renfermer des queues de cheval : des gerbes de fibres incurvées rayonnant depuis un cristal minuscule. Le GIA les compte parmi les rares caractères internes qui augmentent la valeur d’une gemme.

Le diamant est du carbone presque pur, mais des traces d’azote et de bore modifient sa couleur, sa fluorescence et son comportement électrique. Les scientifiques répartissent les diamants en types d’après ces impuretés, mesurées par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Les absorptions de l’azote se situent dans la région à un phonon, environ 1332 à 400 cm⁻¹.

Les diamants de type I contiennent de l’azote que la FTIR peut mesurer. Dans le type Ia, qui couvre plus de 95% des diamants naturels, l’azote a migré au cours des temps géologiques vers des paires voisines (agrégats A, IaA) ou vers des groupes de quatre atomes autour d’une lacune (agrégats B, IaB). Dans le type Ib, l’azote se tient sous forme d’atomes isolés ; les pierres Ib naturelles sont presque toujours brunes, jaunes ou orange, et fort rares. La plupart des diamants de synthèse obtenus par HPHT sont au contraire de type Ib.

Les diamants de type II ne présentent pas d’azote détectable par FTIR, et ils sont eux aussi très rares dans la nature. Les pierres de type IIa sont souvent d’une exceptionnelle absence de couleur, et les plus gros diamants de joaillerie, les pierres du genre du Cullinan, formées entre 360 et 750 km de profondeur, entrent couramment dans cette catégorie. Les diamants de type IIb contiennent du bore, qui les colore en bleu ou en gris et les rend conducteurs d’électricité. Le type compte en pratique : IIa est le type habituel du diamant de croissance CVD et celui que le traitement HPHT peut décolorer, si bien que les pierres IIa sont couramment envoyées en laboratoire pour analyse.