Le marbre

L’état cristallin et la lumière.

Seconde partie.

Le marbre.

Pourquoi le marbre est-t-il un matériau exceptionnel, hors du commun ?

Dans cette sculpture, j’ai particulièrement recherché à mettre en évidence la diffusion-réflexion de la lumière par chaque grain.

Tout le détail de l’ornement de pétales et  la gravure sont faits à la main, avec la pointe et les gravelets, pour laisser entrevoir la matière brute, les fins petits cristaux de calcite. Les surfaces satinées et poncées absorbent différemment la lumière. L’effet de « peau » précède le polissage. La lumière est incidente et « passe sous la peau ». La faible épaisseur de certaines parties leur confère encore plus de lumière.

La calcite est le constituant principal du marbre.

L’analyse minérale d’un marbre statuaire de Carrare se compose de calcite à 99 %. On y trouve aussi de la dolomie, de la muscovite, de l’albite, du quartz et de la pyrite.

L’analyse chimique se compose d’oxydes

  • CO2              44 %
  • MgO              0,58 %
  • Al2 O3            0,04 %
  • SiO2              0,05 %
  • K2O               0,01 %
  • CaO               54,83 %
  • TiO2              0,00 %
  • MnO              0,06 %
  • Fe2O3            0,07 %

Les caractéristiques physico-chimiques font état de

  • La force de résistance à la compression              kg/ cm2                  1235
  • La force de résistance à la flexion                     kg/cm2                     187
  • Dilatation linéaire thermique                             10-6 /°C                   7.3
  • Coefficient d’absorption d’eau                           % de poids                0.10
  • Densité                                                        kg/m3                       2688
  • Résistance aux chocs                                      cm                          60
  • Résistance à l’abrasion                                     mm                          5,34
  • Dureté échelle de Mohs                                                                  3

L’analyse pétrographique révèle une texture dont les grains les plus gros pour cette variété statuaire peuvent atteindre 725 x 682 microns et les grains moyens 216 x 231 microns.

lames minces dans les trois directions

Marbre blanc d'Afrique du sud - face sciée

Marbre statuaire de Carrare - Cassure

Cette différence entre la grosseur des grains varie en fonction du temps de refroidissement du processus métamorphique. Nous avons vu dans l’article « Aperçu géologique » qu’il a duré presque 20 millions d’années pour les marbres de Carrare.

On rencontre des cristaux de quartz, dans de petites cavités, qui peuvent atteindre 10 à 15 mm. On les trouve sous la forme de cristaux biterminés, identiques à ceux plus célèbres de la province d’Herkimer dans l’état de New York.

quartz herkimer

La plus remarquable des particularités de la calcite est sa biréfringence. C’est en 1670 qu’Erasme Bartholin, physicien danois découvre la double réfraction dans un cristal de spath d’Islande en observant le dédoublement de l’image à travers le cristal.

biréfringence du spath d'Islande

En effet, le cristal de calcite possède une biréfringence très importante de δ = 0.154 – 0.174. et sépare la lumière en deux rayons. On les appelle rayon ordinaire et rayon extraordinaire. Le premier coïncide avec la trajectoire de l’axe optique, que l’on nomme axe « c », celui par où passe l’axe de symétrie ternaire du système trigonal, exactement en travers du rhomboèdre. Sur cet axe l’indice de réfraction est de 1.48.

Si on taille la table d’une pierre perpendiculairement à l’axe « c », on s’aperçoit que la lumière ne se dédouble pas. La pierre est dite uniaxe.

Le rayon extraordinaire, lui, polarise la lumière. Son indice de réfraction varie entre 1.48 et 1.66.

La lumière se dédouble. La biréfringence se calcule par la différence de ces deux indices no-ne=δ.

Comme cette différence est négative, on dit que le cristal est uniaxe négatif.

Mais voyons comment cristallise la calcite.

La calcite cristallise dans le système rhomboédrique ou trigonal, on ajoute pour compléter hexagonal. De quoi y perdre son latin, et bien c’est en observant un groupe de cristaux de spath calcaire qu’un collectionneur venait de détacher de sa matrice, que l’abbé René- Just Haüy, minéralogiste sous la révolution française, a conçu la science de la cristallographie. En effet en cherchant à obtenir avec un couteau d’autres surfaces planes, telle que celle qu’il observait à la cassure du groupement, il obtint, le rhomboèdre de calcite en brisant le cristal par ses plans de clivage. Se rendant compte que cette forme se reproduisait par clivage jusqu’à la plus infime parcelle de matière en conservant des valeurs angulaires identiques (comme l’avait déclaré Romé de L’Isle) pour toutes les faces du solide mesurées deux à deux (Constante des angles dièdres), il imagina l’empilement cristallin et découvrit ce qu’il appela « la brique élémentaire ». Celle dont toutes les variantes de morphologie allaient naître par la croissance du minéral sous différentes conditions.

On aperçoit sur ces deux rhomboèdres les nombreux plans de clivage parallèles aux arêtes.

scalénoèdres maclés de calcite- Belgique

rhomboèdre-scalénoèdre orientation

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Ces scalénoèdres maclés ont des axes communs avec le rhomboèdre central dont on distingue l’orientation grâce aux plans de clivage.

Et c’est en poursuivant son raisonnement sur les symétries observées sur différents solides produits avec d’autres minéraux par clivage, qu’ il obtint la description complète des sept systèmes cristallins que j’ai décrit dans un précédent article ici.

Si la calcite se brise facilement par la faiblesse de ses plans de clivage, le marbre assure sa cohérence mécanique par la répartition régulière des cristaux de calcite. Ainsi, comme tous les matériaux polycristallins, il rétablit le passage de la lumière dans toutes les directions, si on place un échantillon de faible épaisseur entre deux filtres polarisants croisés.

marbre et cristal de calcite observé au polariscope en lumière polarisée – analysée

Bien mieux qu’un matériau isotrope, le marbre diffuse la lumière et adoucit son éclat.

lumière du soir

Toutes ces caractéristiques  font bien du marbre un des matériaux les plus lumineux pour la sculpture.

2 réponses à “Le marbre”

  • dekhtiar:

    Bonjour

    merci pour vos articles intéressants sur les cristaux ( la calcite… ).

    je travaille sur Toulouse.
    Savez-vous ou nous pourrions trouver un polariscope pour faire des mesures de bi-refringence ?

    par avance, merci
    charles dekhtiar
    Tel 06.61.83.74.81 /05.62.19.63.62

  • Franck:

    Bonjour Charles,
    Vous pouvez vous procurer un polariscope à « L’atelier La Trouvaille »
    http://www.atelierlatrouvaille.com/produits.php?cat=5:339
    mais vous pouvez vous le fabriquer vous même avec deux filtres polarisants achetés chez un photographe, ou commandés chez un opticien ou sur internet. Ils existent en verre, mais aussi en plastique que l’on découpe à loisir.
    Tous les appareils optiques peuvent ainsi en être équipés et cela change toutes vos observations.
    Malgré tout pour mesurer la bi-réfrigence sur une lame mince il faut un microscope pétrologique non seulement équipés de deux filtres polarisants mais de plusieurs autres filtres retardants en quartz et savoir identifier les couleurs sur l’échelle de Newton. C’est une technique assez pointue, mais qui permet d’identifier les minéraux des roches, grâce à leur bi-réfrigence. Je vous envoie un document complet.
    Franck

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