Pourquoi les géologues lèchent-ils les cailloux ?
― Mouiller une pierre fait disparaître le « voile blanc » à sa surface
Les personnes qui étudient les roches sur le terrain lèchent la pierre qu'elles viennent de casser, ou versent de l'eau de leur gourde dessus. Ce n'est pas un manque de savoir-vivre. La surface sèche d'une pierre, criblée de minuscules aspérités, renvoie une lumière blanche qui forme comme un voile. En la mouillant, ce voile disparaît, et la vraie couleur des minéraux ainsi que la forme des grains apparaissent.
Sur les bords d'une rivière, vous trouvez un joli caillou zébré de rouge et de vert. Il brillait dans l'eau.
Vous le mettez dans votre poche, et le lendemain, sur votre bureau, ce n'est plus qu'un caillou terne et blanchâtre.
La couleur de la pierre ne s'est pas effacée. En la replongeant dans l'eau, les motifs reviennent exactement comme avant. Si les géologues lèchent les pierres, c'est pour recréer sur-le-champ cet « état mouillé ».
Pourquoi mouiller une pierre la rend visible : deux raisons seulement
La surface sèche d'une pierre est rugueuse, couverte de minuscules fissures et de poussière. Chaque petite facette renvoie un peu de lumière, dans toutes les directions. C'est ce qui forme le voile blanc par-dessus la couleur. L'eau comble ces aspérités et rend la surface lisse.
La lumière est moins réfléchie à la surface quand elle passe de l'eau à la pierre que quand elle passe de l'air à la pierre. La lumière qui entre sans être réfléchie ressort chargée de la couleur du minéral. D'où des couleurs plus intenses et plus nettes.
Dans les deux cas, il s'agit de la quantité de lumière réfléchie à la surface de la pierre. Voyons d'abord le premier point.
Une pierre sèche est recouverte d'un voile blanc
La surface d'une pierre fraîchement cassée, ou exposée au vent et à la pluie, est criblée de minuscules reliefs quand on l'agrandit. De petits fragments, comme de la poussière, y adhèrent aussi. Quand la lumière frappe une telle surface, une petite partie est réfléchie. Chaque facette ayant une orientation différente, la lumière réfléchie part dans toutes les directions.
Cette lumière réfléchie n'a pas traversé le minéral : elle est donc incolore. Autrement dit, quel que soit l'angle d'observation, une fine couche de lumière blanche se superpose à la couleur de la pierre. C'est l'origine de cette « ternissure ». Le même mécanisme rend le verre dépoli blanchâtre.
Regardez la partie gauche de la figure 1. Sur la surface sèche, les flèches blanches pointent dans toutes les directions. À droite, le film d'eau comble les aspérités et la surface devient lisse comme un miroir. La lumière réfléchie part alors dans une seule direction, et ce n'est que depuis cet angle qu'on voit un « reflet ». De tous les autres angles, on voit l'intérieur de la pierre, sans voile.
Dans l'eau, la lumière réfléchie à la surface est divisée par huit
La deuxième raison tient au mécanisme de réflexion de la lumière à la frontière entre deux milieux différents. Le nombre qui décrit la vitesse de propagation de la lumière dans une matière s'appelle l'indice de réfraction. Plus l'écart entre les indices des deux milieux est grand, plus la lumière est réfléchie.
L'indice de l'air est de 1,00, et celui du quartz, un minéral fréquent dans les pierres, est d'environ 1,54. L'écart étant important, environ 4,5 % de la lumière qui atteint la frontière est réfléchie. Or l'indice de l'eau est de 1,33, ce qui réduit fortement l'écart avec celui du quartz. À la frontière entre l'eau et le quartz, seulement 0,5 % environ de la lumière est réfléchie. Soit huit fois moins.
La lumière non réfléchie pénètre au cœur du grain minéral. Le minéral y absorbe une partie des couleurs, et la lumière ressort chargée des couleurs restantes. C'est pourquoi une pierre mouillée paraît plus foncée, plus sombre et plus vive. Les frontières entre les grains deviennent elles aussi plus nettes, car la lumière les traverse plus facilement.
Grâce au curseur de la figure 2, essayez de changer l'indice de réfraction du liquide qui recouvre la surface de la pierre. Plus on se rapproche de l'indice du quartz — de l'air à l'eau, puis à l'huile — moins il y a de lumière réfléchie, et plus le voile se dissipe.
Les pierres tombales et les sols en pierre sont polis jusqu'à devenir lisses. Polir revient, comme mouiller, à « éliminer les aspérités ». Pour expertiser une pierre précieuse, on la plonge parfois dans un liquide d'indice proche du sien, afin d'observer les fissures et motifs internes. Quand les indices coïncident, la réflexion à la frontière disparaît presque, au point que les contours de la pierre deviennent invisibles.
Chez les chercheurs de fossiles, on dit qu'un os fossilisé, criblé de minuscules pores, donne l'impression que la langue y colle. Attention cependant : certains minéraux contiennent des composants nocifs pour la santé. Pour une pierre inconnue, mieux vaut la mouiller avec de l'eau plutôt que de la lécher.
En résumé
Une pierre sèche paraît terne non pas parce que sa couleur s'est effacée, mais parce qu'une lumière blanche renvoyée par les aspérités de sa surface se superpose à elle. En la mouillant, l'eau comble ces aspérités, et la lumière est en plus moins réfléchie à la frontière avec la pierre. Elle pénètre alors jusqu'au cœur des grains et en ressort chargée de la couleur du minéral. Le petit coup de langue du géologue est l'outil d'observation le plus simple qu'on puisse utiliser sur le terrain.
La couleur d'une pierre ne disparaît pas en séchant : elle est simplement masquée par une lumière blanche.
L'eau joue le rôle d'une lentille qui dissipe ce voile.
Pourquoi les galets de rivière sont-ils ronds ? La réponse se trouve dans « Pourquoi les galets de rivière sont-ils ronds ? », et le mécanisme qui fait qu'une feuille blanche reste blanche même dans une pièce sombre est expliqué dans « Pourquoi une feuille blanche reste-t-elle blanche même dans une pièce sombre ? ».
- Ramassez dans un jardin ou un parc deux petits cailloux blanchâtres et ternes. Laissez l'un tel quel, et plongez l'autre dans un verre d'eau.
- Comparez-les côte à côte. Le caillou dans l'eau devrait paraître plus coloré, avec des grains et des motifs plus nets.
- Sortez-le de l'eau et observez-le sécher peu à peu. Vous verrez la blancheur revenir d'abord sur les bords, là où il est le plus fin.
Si vous avez le temps, comparez aussi avec un caillou sur lequel vous aurez versé une goutte d'huile de table. L'huile ayant un indice plus proche de celui du quartz que l'eau, la couleur peut y paraître encore plus nette.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège à l'université, le niveau de chaque notion est indiqué clairement
- CollègeNotions vues en sciences au collège
- LycéeNotions vues en « physique » ou « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Notions d'approfondissement du lycée, ou encadrés des manuels
- UniversitéNotions non vues au lycée, relevant d'une discipline universitaire spécialisée (optique, pétrologie)
- RechercheSujets qui ne sont pas encore enseignés comme « établis », même à l'université, et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Réflexion diffuse : la lumière renvoyée dans toutes les directions par une surface irrégulière. C'est l'origine du voile blanc sur une pierre sèche.
- Indice de réfraction : nombre qui indique à quel point la lumière ralentit dans une matière. Il est de 1 dans le vide, 1,33 pour l'eau, environ 1,54 pour le quartz.
- Minéraux constitutifs des roches : minéraux qui composent une roche. Pour le granite, ce sont par exemple le quartz, le feldspath et le mica noir (biotite).
CollègeLycéeVérification par le calcul : quel est le rapport entre la lumière réfléchie par le quartz sec et mouillé ?
Calculons la proportion de lumière réfléchie lorsque la lumière frappe la frontière perpendiculairement.
| En notation symbolique | R = ( (n₂ − n₁) ÷ (n₂ + n₁) )² |
| En mots | Proportion réfléchie = (écart des indices ÷ somme des indices) au carré |
| D'où vient cette formule | C'est le cas d'une incidence perpendiculaire de la « formule de Fresnel », obtenue en traitant la lumière comme une onde électromagnétique et en imposant la continuité des champs électrique et magnétique à la frontière. |
Signification des symboles : R est le coefficient de réflexion (proportion de lumière réfléchie, sans unité), n₁ l'indice du milieu d'où vient la lumière (air ou eau), n₂ l'indice du quartz.
| Indice de l'air | 1,00 |
| Indice de l'eau | 1,33 |
| Indice du quartz (environ) | 1,54 |
| Pierre sèche : écart des indices | 1,54 − 1,00 = 0,54 |
| Pierre sèche : somme des indices | 1,54 + 1,00 = 2,54 |
| Écart ÷ somme | 0,54 ÷ 2,54 ≈ 0,213 |
| Au carré, coefficient de réflexion | 0,213 × 0,213 ≈ 0,045 |
| Pierre mouillée : écart des indices | 1,54 − 1,33 = 0,21 |
| Pierre mouillée : somme des indices | 1,54 + 1,33 = 2,87 |
| Écart ÷ somme | 0,21 ÷ 2,87 ≈ 0,073 |
| Au carré, coefficient de réflexion | 0,073 × 0,073 ≈ 0,0053 |
| Rapport entre sec et mouillé | 0,045 ÷ 0,0053 ≈ 8,5 |
La surface sèche du quartz réfléchit environ 4,5 % de la lumière, contre 0,5 % environ pour la surface mouillée. Sur une seule facette, l'écart est faible, mais une pierre sèche compte d'innombrables fissures et grains de poussière qui renvoient chacun ces 4,5 %, formant ensemble le voile blanc. En mouillant la pierre, tout se ramène à une seule surface d'eau plane, et la réflexion à la frontière avec la pierre diminue d'un facteur d'environ huit.
LycéeLycée+Le lien entre réflexion et réfraction
LycéeEn physique au lycée, on apprend la loi de la réfraction (loi de Snell-Descartes), qui donne la direction dans laquelle la lumière se courbe à une frontière. Le rapport des indices de réfraction, qui déterminele sens de cette courbure, déterminéégalement « combien » de lumière est réfléchie. Si les indices sont identiques, la lumière ne se courbe pas et n'est pas réfléchie : elle passe tout droit.
Lycée+Même la surface de l'eau elle-même (la frontière entre l'air et l'eau) réfléchit environ 2 % de la lumière. Mais sur une pierre mouillée, cette surface étant plane, la réflexion ne part que dans une seule direction. En évitant de regarder dans cette direction précise, on voit l'intérieur de la pierre sans voile. Des lunettes de soleil polarisantes permettent aussi d'atténuer fortement ce reflet de la surface d'eau.
UniversitéLa « diffusion multiple » : la lumière qui s'égare dans un amas de grains
Dans une matière faite d'un amas de grains, comme le sable ou la roche, la lumière se réfléchit à répétition aux frontières entre grains avant de progresser. C'est ce qu'on appelle la diffusion multiple. Quand l'espace entre les grains est occupé par de l'air, la réflexion à chaque frontière est importante, et la lumière est vite renvoyée vers l'extérieur, d'où un aspect blanchâtre. Quand cet espace est rempli d'eau, la réflexion aux frontières s'affaiblit et la lumière progresse plus en profondeur. Elle a alors plus souvent l'occasion d'être absorbée par le minéral, ce qui rend l'ensemble plus sombre et plus vif. Cette explication a été démontrée quantitativement par Lekner et Dorf dans leur article de 1988 intitulé « Pourquoi certaines choses s'assombrissent une fois mouillées ». La relation entre indice de réfraction et réflexion s'exprime par la formule de Fresnel, en distinguant chaque polarisation.
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : formule de Fresnel (Wikipédia, en japonais) ／ Lekner & Dorf (1988) Why some things are darker when wet
RechercheCe qui n'est pas encore totalement élucidé
- Relation entre degré d'humidité et aspect visuel La quantité d'eau nécessaire pour qu'un sol ou un sable légèrement humide s'assombrisse davantage dépend fortement de la taille et de la forme des grains, et aucune formule unifiée n'a encore été établie.
- Observation de l'humidité du sol par satellite On cherche à estimer l'humidité du sol à partir de sa luminosité, mais il reste difficile de séparer les effets du type de sol et de la végétation.
- La couleur des roches martiennes Les rovers grattent ou brossent la surface des roches pour voir leur couleur interne. La manière de corriger l'effet de la poussière sèche fait encore l'objet d'ajustements continus.
Autrement dit, le contenu de cet article correspond aussi à « ce que l'on comprend à ce jour ». La proportion de lumière réfléchie à une surface est fixée par une formule bien établie, mais l'aspect visuel global d'un amas de grains reste un sujet de recherche actif.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 4e : « réflexion et réfraction de la lumière », « structure des roches magmatiques » | Le voile blanc de la réflexion diffuse, les grains du granite |
| Lycée | Physique : « réfraction de la lumière », Sciences de la Terre : « roches et minéraux » | Relation entre écart d'indice et réflexion |
| Lycée+ | Physique (approfondissement) : « polarisation » | Le reflet de la surface d'eau et les lunettes polarisantes |
| Université | Optique (formule de Fresnel), pétrologie | Diffusion multiple et assombrissement des matières mouillées |
| Recherche | Télédétection, géologie planétaire | Estimation de l'humidité du sol, observation des roches martiennes |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Les galets de rivière, le poli des pierres tombales, les routes paraissant plus foncées sous la pluie |
- Lekner, J. & Dorf, M. C. (1988) Why some things are darker when wet. Applied Optics 27, 1278.
- Formule de Fresnel - Wikipédia (en japonais)
- Indice de réfraction - Wikipédia (en japonais)
- Hecht, E. « Optics » (réflexion et réfraction de la lumière, formule de Fresnel).
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. L'indice de réfraction varie légèrement selon le type de minéral et la couleur de la lumière. Si vous examinez des pierres en extérieur, veillez à respecter les autorisations d'accès et votre sécurité.