L’origine de la couleur dans les gemmes

 On me demande souvent d’où vient la couleur des pierres. Qu’est ce qu’il fait qu’une pierre soit rouge, une autre bleu? Quelle est l’origine de la couleur dans les gemmes?

Un grand panel de couleurs

Vous trouverez des gemmes de toutes les couleurs et leurs désaturations. Des couleurs vives, néons aux couleurs douces et pastels, la gamme est très large. 

La couleur d’une gemme est un facteur très important qui participe grandement à sa beauté et à sa valeur. C’était pour moi un des attraits de la gemmologie. J’étais fascinée par toutes ces couleurs si intenses et leurs nuances.

La première chose que l’on nous apprend en gemmologie est de ne pas se fier à la couleur d’une gemme pour l’identifier. Beaucoup de gemmes ont la même couleur et une même gemme peut exister dans plusieurs couleurs!

La couleur est un indice mais il ne doit pas être considéré seul !
Durant mes études, un vaste monde s’ouvrait à moi. Mais point de magie devant cet étalage de couleurs ! Tout s’expliquait.

Les phénomènes à l’origine de la couleur dans les gemmes sont assez complexes mais je vais tacher de les expliquer de la manière la plus simple possible. Je ne suis pas une scientifique. Les études de gemmologie m’ont donné une base en la matière mais en aucun cas mes explications ne sauraient se substituer à un cours complet et exhaustif.

C’est parti !

La couleur d’une gemme est causée par l’absorption de certaines longueurs d’onde de la lumière visible (longueurs d’onde qui vont du rouge au violet en passant par l’orange, jaune, vert et bleu) par cette gemme.

En 1666, Sir Isaac Newton a démontré que la lumière blanche est composée en fait d’un ensemble de couleurs. On peut  distinguer 7 couleurs, le rouge, le orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et  le violet. L’ensemble des couleurs et des longueurs d’onde constitue le spectre visible 

La lumière émet de l’énergie sous forme de photons. Chaque photon se compose d’une quantité définie d’énergie. Certaines longueurs d’onde étant absorbées par la gemme et laissant un vide dans le spectre lumineux, l’œil va percevoir les longueurs d’ondes restantes. On parle de couleur résiduelle.

Qu’est ce qui cause cette absorption ?

Ce sont les atomes de certains éléments chimiques dits élément de transition (éléments métalliques) qui sont responsables de la couleur des gemmes. Il y a interaction lumière /matière !

Il existe principalement 8 éléments chimiques colorants :

le titane, vanadium, le chrome, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel et le cuivre.

Il en existe d’autres mais ces 8 la sont les plus actifs.

Dans certains cas comme le diamant, la couleur est due à d’autres éléments que les éléments de transitions. Ex : le Bore et l’azote.

Ce sont les électrons de ces éléments chimiques qui par interactions avec les ondes lumineuses vont colorer les matériaux.

Rappel sur l’électron :

Les électrons sont de très petites particules de l’atome. Chaque électron possède une charge négative et gravitent autour du noyau sur des orbitales. Les atomes vont se lier à d’autres atomes pour créer des molécules et des ions (atomes chargés électriquement c’est-à-dire qui ont gagné ou perdu des électrons).

Les électrons servent ainsi de liant et ce sont eux qui sont responsable des liaisons entre atomes.

Les ondes lumineuses vont exciter les électrons de ces éléments chimiques et ces électrons vont subir des variations d’énergies et ce faisant absorber des longueurs d’onde de la lumière visible.

La couleur dans les gemmes est donc due à l’interaction de la lumière (ondes lumineuses) avec les différents éléments chimiques, en particulier les électrons de ces éléments.

Les électrons vont absorber, pour se déplacer d’une orbitale à une autre (au sein du même atome) ou d’un atome à un autre (transfert de charge), une énergie quantifiée qui correspond à une certaine longueur d’onde du spectre lumineux.

L’œil ne va voir que les couleurs non absorbées. La couleur résiduelle sera la somme de toutes les couleurs restantes, qui vont se recombiner pour n’en former qu’une.

Les éléments de transition participent à la couleur des gemmes, soit en tant que composant principal, soit en tant qu’impuretés. Ce que nous allons détailler ci-après.

Soit une gemme a une couleur intrinsèque due à un élément chimique présent dans sa formule chimique et sa couleur sera toujours de la même et seule couleur. On parle de gemme idiochromatique. Ex : le fer dans le péridot, gemme qui est toujours verte. Le fer est aussi présent dans la formule chimique du grenat almandin et celui-ci sera toujours rouge.

Attention un même élément chimique peut colorer comme on l’a vu dans les deux ex ci-dessus une gemme dans des couleurs différentes ! J’expliquerai les raisons plus loin.

Soit une gemme est dite allochromatique. Cela veut dire que la couleur de la gemme est due à une impureté présente dans le cristal. Sa couleur est due à des éléments chimiques qui ne sont pas des composantes essentielles mais des éléments chimiques présents en infimes quantité. En général la formule chimique d’une gemme allochromatique ne contient pas l’élément colorant.

Prenons le saphir. Sa formule chimique est Al203. C’est un oxyde d’aluminium. Il est composé d’oxygène et d’aluminium. Tel quel, il est incolore.

Alors comment se fait- il que le saphir que nous connaissons soit bleu ???

C’est parce que quelques traces de fer et titane en tant qu’impuretés vont colorer le saphir en bleu.

Si du chrome vient s’ajouter à l’oxygène et à l’aluminium, alors nous aurons du rubis, qui est un saphir de couleur rouge.

Le chrome va également donner sa couleur verte à l’émeraude.

Pourquoi un même élément de transition va-t-il donner des couleurs différentes ?

L’atome de chrome va interagir avec les atomes qui composent la structure cristalline de la gemme et comme le corindon (famille du rubis) et le béryl (famille de l’émeraude) n’ont pas le même environnement ni la même structure cristalline, il y aura des interactions différentes.

Donc pour résumer, la couleur perçue dépend également de la position des éléments chimiques de transition (éléments colorants) dans la structure cristalline et de cette structure cristalline elle- même. Cette différence dans l’environnement cristallin est suffisante pour affecter la couleur.

La couleur résultant d’un ion peut être affectée par le type, le nombre et la disposition des atomes qui entourent l’ion. Pour reprendre l’exemple du fer qui va colorer le péridot en vert et le grenat almandin en rouge, la différence de couleur s’explique par l’entourage des ions en présence.

De plus ces éléments de transition ont des états de valence qui peuvent avoir une influence sur la couleur. Il y a des milliards d’électrons dans une pierre. Les électrons en orbite et impliqués dans les liaisons atomiques sont appelés des électrons de valence. La valence est le nombre d’électrons qui sont donnés, acceptés ou partagés afin de produire une couche d’électrons périphérique stable autour d’un atome. Certains ions bien précis vont montrer une couleur bien précise. Plusieurs états de valence sont possibles pour chaque élément chimique. L’ion fer Fe2+ donne au béryl sa couleur bleue (aigue marine) et l’ion fer Fe3+ va donner au béryl sa couleur jaune (héliodore).

On constate ici qu’un état de valence différent ne donne pas la même couleur.

C’est ainsi que l’on peut agir sur la valence par des traitements comme le chauffage et l’irradiation. On peut changer la couleur des gemmes en modifiant l’état de valence des ions métalliques.

Le chauffage va faire remonter les électrons alors que l’irradiation va arracher les électrons. Une aigue marine bleu verdâtre, couleur peu flatteuse a des ions de fer Fe2+ (couleur bleu) et des ions de fer Fe3+(couleur jaune). En chauffant la pierre, on crée un plus grand nombre d’ions de fer Fe2+ parce que les ions Fe3+ gagnent chacun un électron.

Donc il y a couleur car les électrons de l’ion vont passer d’une orbitale à une autre au sein du même atome par absorption des ondes lumineuses ou bien les électrons vont se déplacer d’un type d’ion à l’autre toujours par absorption des ondes lumineuses (On appelle ce mécanisme transfert de charge).

Dans le cas d’un transfert de charge, l’énergie absorbée est beaucoup plus forte car elle permet à un électron de passer sur l’orbitale électronique d’un autre ion.

L’absorption est plus forte et par conséquent cela donne lieu à des couleurs de gemmes beaucoup plus prononcées. La couleur bleue du saphir est due à un transfert de charge entre les ions fer et titane.

Il faut bien comprendre que ce sont les photons de la lumière qui vont donner aux électrons l’énergie de se déplacer et ce faisant absorber une partie du spectre lumineux.

La couleur peut être aussi due à un défaut dans la structure d’un matériau. On appelle ça « un centre coloré ».

C’est un défaut qui cause une absorption de la lumière.

Le défaut est dû à une exposition à des radiations naturelles de haute énergie (uranium, potassium et thorium) du cristal pendant sa formation.

Cette irradiation peut être aussi artificielle.

Soit un atome va être éjecté (le vert du diamant est dû à ce type de défaut), soit c’est un électron (couleur violette de l’améthyste).

Cette expulsion de l’électron va provoquer une absorption de la partie centrale du spectre. On en verra plus que le rouge et le violet : couleur de l’améthyste.

De plus la perception de la lumière implique des récepteurs, les cônes dans la rétine de l’oeil.

L’œil est sensible à certaines couleurs. Dans l’ordre l’oeil perçoit d’abord le vert, puis le rouge et le bleu.
Petit rappel : un objet quel qu’il soit n’a de couleur que parce qu’il est éclairé ! Dans le noir, tout est noir.

Dans un rubis le chrome va absorber le jaune, l’orange, le vert et le violet. La couleur transmise est le rouge et le bleu.

Notre œil ne devrait voir que l’assemblage de ces deux couleurs à savoir du violet. Mais comme nous l’avons vu l’œil a ses préférences. L’oeil va voir d’abord le rouge puisqu’il le préfère au bleu. C’est pour cela que le rubis va nous apparaitre rouge.

Dans l’émeraude, nous allons voir que les couleurs transmises c’est-à-dire non absorbées sont le rouge, vert et bleu. Nous devrions voir un mix de toutes ces couleurs, or notre oeil qui préfère voir le vert va effectivement ne montrer que la couleur verte.

Certaines pierres vont même changer de couleur en fonction de l‘éclairage. On peut citer l’alexandrite, gemme qui a la particularité de changer de couleur en fonction de la nature de l’éclairage.

L’alexandrite est verte à la lumière du jour et rouge à la lumière artificielle.

L’alexandrite va absorber l’orange, le jaune et le bleu violet. Les couleurs transmises sont donc le rouge et le vert. L’œil qui préfère le vert devrait voir cette pierre verte or un facteur nouveau entre en jeu et qui va avoir un impact sur la couleur de la pierre. La nature de la lumière qui éclaire la pierre. Si la lumière qui éclaire la pierre est la lumière naturelle c’est-à-dire celle du soleil, la pierre va apparaître verte car la lumière du soleil est plus riche en vert. Soumise à la lumière artificielle, qui a plus de longueurs d’onde dans le rouge, la gemme va nous apparaître rouge.

Ce phénomène est appelé phénomène de changement de couleur en fonction de la nature de la lumière qui l’éclaire.

D’autres pierres comme une variété de grenats et de saphirs présentent ce phénomène.

De plus certaines gemmes présentent plusieurs couleurs ou nuances de couleurs selon l’angle d’observation. Elles sont dites pléochroïques, qui signifie plusieurs couleurs. Certaines gemmes peuvent montrer jusqu’à trois couleurs. Seules les pierres dites anisotropes peuvent montrer du pléochroïsme. La Iolite va montrer du bleu, du vert et du jaune selon l’angle d’observation. On parle de trichroïsme.

Le rubis est une pierre dichroïque. Il va montrer du orange et du rouge. Le lapidaire devra bien sur lors de la taille privilégier la couleur la plus désirable et tailler la pierre de façon à ce que la table montre la couleur rouge.

Les pierres isotropes, dont font partie les spinelles et les grenats entre autre ne montreront toujours qu’une seule couleur selon l’angle d’observation.

Le phénomène de changement de couleur ou non selon l’angle d’observation est due aux propriétés de la gemme.

Voilà un petit topo très simplifié, qui permet juste de comprendre quels sont les différents mécanismes en présence. J’ai volontairement omit de rentrer dans les détails ou omit certains mécanismes un peu trop complexes. Je voulais juste vous donner un premier aperçu des mécanismes de couleurs dans les gemmes.

Donc plusieurs paramètres vont faire varier la couleur, la nature de l’ion en présence, la valence de celui-ci, la nature des éléments liés aux ions chromateurs et l’environnement ionique. D’autres phénomènes ont une incidence sur la couleur, non pas en tant que couleur de base de la pierre mais plutôt en tant qu’effets ou reflets comme les nuances nacrées de la perle, les jeux de couleurs de l’opale ou les reflets bleu vert métalliques de la labradorite. Donc rendez-vous peut être une prochaine fois pour un exposé sur l’optique physique !

J’espère que je ne vous ai pas perdu en chemin et que vous avez retenu juste quelques petites informations !

Alexandra, gemmologue et créatrice de la marque de bijoux pour femme en pierre naturelle