INCLUSIONS, physique du solide

Presque tous les cristaux comportent des lacunes de cristallisation ou des cavités remplies par des corps à l'état gazeux, liquide ou solide. Ces inclusions sont connues depuis très longtemps puisque H. Sorby en donne les premières descriptions dès le début du xix^e siècle, mais ce n'est que vers les années cinquante et sous l'impulsion de chercheurs comme G. Deicha en France, E. Roedder aux États-Unis et N. P. Yermakov en Union soviétique que l'étude de ces structures connaît un nouvel essor.

Les inclusions sont de dimensions variables, mais ne dépassent que très rarement le millimètre cube. L'emploi du microscope électronique a permis de constater que leur domaine s'étend bien au-delà du pouvoir séparateur du microscope optique.

Leur forme peut être quelconque ou très géométrique (on parle alors de cristaux négatifs), elle est en relation avec les axes cristallographiques du minéral. Les techniques d'étude ont été peu à peu adaptées, améliorées et diversifiées : on a adjoint au microscope polarisant des platines chauffantes, réfrigérantes, ou à écrasement. Les microsondes électronique et ionique permettent d'obtenir les analyses chimiques des inclusions solides amenées à la surface par polissage. Les gaz sont libérés par la platine à écrasement et injectés directement dans un spectrographe de masse.

Deux problèmes se présentent dans le cas des inclusions fluides : une grande difficulté de prélèvement, ensuite un risque de pollution lorsque plusieurs générations d'inclusions sont présentes dans un même minéral. La seconde difficulté peut être résolue en libérant le gaz par paliers de chauffage successifs.

L'intérêt pratique des inclusions est qu'elles sont généralement des prises d'essais parfaitement conservées du milieu dans lequel le minéral a cristallisé. Cette constatation donne lieu à des applications diverses : minéralogiques, sédimentologiques, etc.

Ainsi, il est possible de déterminer la température minimale de cristallisation d'un cristal de quartz en observant au microscope à platine chauffante la disparition du vide de retrait des inclusions.

Autre exemple, la présence d'inclusions dans les cristaux de quartz d'un sédiment peut permettre de reconnaître les traces d'un épisode volcanologique, même réduit, au sein d'une formation sédimentaire.

L'étude cryoscopique des inclusions des cristaux du gypse parisien et la détermination de leur rapport chlore/brome fournissent des arguments en faveur de l'origine marine.

Il faut enfin citer une application plus inattendue, qui est l'identification de l'authenticité des gemmes.

En métallurgie, on distingue les inclusions exogènes, constituées par des particules réfractaires du four qui sont entraînées mécaniquement lors de la coulée, et les inclusions endogènes qui naissent au sein du métal au cours de son élaboration.

La présence d'inclusions modifie en particulier le comportement plastique à chaud des métaux et alliages.

À haute température, au cours du travail mécanique, les inclusions plastiques (sulfures, silicates basiques) s'allongent dans la direction du corroyage. Les autres (oxydes, silice, etc.) se brisent en petits fragments. La fusibilité des inclusions conditionne la forgeabilité des aciers. Enfin la dilatation thermique des inclusions peut être très différente de celle de la matrice.

À l'exception des inclusions très réfractaires, telles que la silice, qui se solidifient avant le métal et se répartissent dans la masse de l'alliage, ces impuretés s'accumulent dans les régions qui se solidifient les dernières, elles demeurent dans la phase liquide jusqu'à la fin de la solidification : c'est le phénomène de la ségrégation.

— Alain Gil MAZET