Introduction :
Elle est une des quatre pierres précieuses avec le diamant, le rubis et le saphir, ces deux derniers étant les variétés gemmes du corindon. En raison de sa valeur, l'émeraude fait l'objet de nombreuses imitations réalisées avec des matériaux divers, à commencer par le verre. En général, ce sont des doublets dont la couronne est taillée dans un minéral clair - cristal de roche, béryl incolore ou émeraude claire de moindre qualité – et la culasse en verre. D'autres doublets sont constitués de deux lames de cristal de roche collées par un ciment vert, la lame de quartz inférieure pouvant présenter des givres afin d'imiter les inclusions de l'émeraude. Il existe aussi des doublets aigue-marine claire - ciment vert – tourmaline givreuse, que les marchands colombiens proposent aux touristes sous l'appellation d'« émeraudes semi-précieuses »… Tous ces types de doublets sont parfois difficiles à reconnaître, surtout s'ils sont déjà montés et sertis. Néanmoins ils restent aisément identifiables pour quelqu’un d’un minimum averti contrairement aux synthèses qui sont très présentes, de nos jours, sur le marché des pierres précieuses. Issues de la cristallisation synthétique en milieu aqueux, elles découlent de nombreuses expériences effectuées durant de nombreuses années, à savoir la synthèse au fondant et la synthèse hydrothermale. Bien que toute identifiable, d’après ce que l’on sait du moins, il n’en reste pas moins impossible pour un non initié de faire la différence entre une émeraude de synthèse et une émeraude naturelle. C’est très certainement l’une des pierres les plus imitées et traitées du marché et probablement la plus ancienne dans l’Histoire, connue de l’Homme.
Petit récapitulatif gémmologique
L’émeraude est un cyclosilicate d'aluminium et de béryllium de formule Al2Be3(Si6O18). Elle cristallise dans le système hexagonal, une dureté d’environ 7,5 et un poids spécifique (densité) de 2,67 à 2,78. Allant de transparente à opaque, elle présente un éclat vitreux et des cassures discontinues à la structure conchoïdale. Naturelle ou non, elle est identifiable à l’aide de la spectrométrie puisque qu’elle émet le spectre du Chrome Cr (absorption large et diffuse dans le vert-jaune profond et large et moyennement intense dans le début des longueurs d’ondes du rouge ainsi qu’une raie intense et fine dans le rouge profond). Ce chrome étant responsable de la fluorescence rougeâtre à rosâtre de l’émeraude sous UV et sous Chelsea. Comme chez les autres béryls, le motif élémentaire de l'émeraude est un anneau de six tétraèdres de silice (SiO44—), dont chacun possède deux sommets libres, ce qui correspond à la formule (Si6O18)12—. Les anneaux constitutifs s'empilent selon l'axe C de symétrie d’ordre 6 du cristal ; les ions aluminium (Al3+) et béryllium (Be2+) s'intercalent entre les anneaux de silice et assurent la cohésion de l'ensemble. Dans les vides situés entre les anneaux ou à leur intérieur s'intercalent divers éléments (H2O, CO2, Na+, Li+, etc.).  L'aluminium est en partie remplacé par du chrome (Cr3+) et du vanadium (V3+), éléments qui donnent la couleur verte à l'émeraude, ainsi que, plus rarement, par du magnésium (Mg2+) et du fer ferrique (Fe3+). Parfois du lithium (Li+) remplace le béryllium tandis que de l'aluminium peut se substituer au silicium (Si) des anneaux. Elle peut présenter un phénomène optique de chatoyance ou se développer en trapiche suivant la symétrie hexagonale Sa ténacité est mauvaise d’où la présence de nombreuses inclusions dans nombreuses d’entre elles. Elle réagit mal à la chaleur et aux ultrasons. Ses inclusions diagnostiques sont :
-Inclusions Tri-phase
-Bi-phase
-Inclusions en aiguilles
-Inclusions d’amphiboles
-Inclusions de pyrite
-Inclusions de calcite
-Inclusions de mica
-Inclusions de mica
-Zone de couleur
-Inclusions en plume
-Formation de cristaux
Sa dureté, son habitus (forme cristalline) en cristaux prismatiques hexagonaux et allongés, ses fréquentes inclusions, sa couleur verte incomparable, sa densité, son éclat, son indice de réfraction allant de 1,56 à 1,58 avec une biréfringence de 0,003 à 0,005, son caractère optique (uniaxe négatif) ou encore ses réactions aux matériaux dont l’identification est basé sur les atomes en présence tant dans leurs agencement que dans leurs agitation (UV, Chelsea, Dichroscope, Spectroscope) permettent de distinguer aisément l'émeraude des autres pierres naturelles ou non offrant une certaine ressemblance, tels que le péridot, le diopside, la dioptase, l'hiddénite, les grenats démantoïde et uvarovite, la tourmaline, le verre, le quartz vert teint, le quartz aventurine, le YAG ou bien ses synthèses.
Cette structure ménage des « canaux » au cœur ou entre les anneaux de silice, laissant la place à des ions alcalins – sodium (Na+), potassium (K+), lithium (Li+), césium (Cs+) – ou à des éléments volatils (eau, dioxyde de carbone, gaz rares). D'autres inclusions peuvent cristalliser dans la structure silicatée au cours de la paragenèse (assemblage de minéraux associés dans le temps et dans l'espace, et résultant d'un même processus physico-chimique): micas, trémolites, actinotes, amphibole, pyrite, calcite ainsi que des inclusions multi-phase (bi ou tri-phase), divers cristaux et des zonations de couleur. Ou bien encore ce que l’on appelle « givres de guérison ». Il s’agit de fissures in situ cicatrisées par des substances externes provenant du milieu ambiant ou des solutions hydrothermales. Ces derniers sont extrêmement importants car le rôle d’un gemmologue étant d’identifier les gemmes via leurs caractéristiques naturelles, les givres constituent un problème important car ils sont aussi présents dans les synthèses bien que leur apparence diffère. On comprend ainsi que l'étendue des possibilités de substitutions d'éléments chimiques et des variations d'incorporation de givres caractérise chaque type d'émeraude : loin d'être considérées comme des défauts, ces associations donnent au contraire une carte d'identité à chaque gemme, garantissant son authenticité dès lors que l'on a compris les modes de formation des divers gisements.
Si les émeraudes sont insensibles aux produits chimiques, excepté l'acide fluorhydrique, elles présentent cependant une certaine friabilité en raison des givres ; fragiles, elles doivent être taillées et serties en conséquence
L’Histoire et l’évolution des méthodes de synthèses
Tout a commencé avec Pline, ses premières imitations de pierres naturelles datent du premier siècle après J.C, ils s’agissaient tout bonnement de doublets. Ce n’est que beaucoup plus tard que les synthèses sont arrivées créant l’anarchie dans le commerce des pierres.
Les premières émeraudes synthétiques furent produites en 1848, par le Français Jacques Joseph Ebelmen alors directeur de la Manufacture de Sèvres, en utilisant le procédé de dissolution anhydre: cristallisation à la pression normale d'une solution de silicates dissous par attaque basique et saturée par les éléments nécessaires à la constitution des émeraudes. Les cristaux obtenus par Ebelmen étaient petits, de l’ordre du milimètre; l'amélioration du procédé au début du XXe siècle permit la synthèse de pierres de taille centimétrique et ce grâce au professeur de l'École polytechnique Edmond Frémy né en 1814 puis mort en 1894 qui réussit tant bien que mal à développer des cristaux d’une profondeur dix fois supérieure à celles de monsieur Elbemen. Mais il fallut attendre le début des années 1950 pour que l'émeraude synthétique connaisse un réel essor industriel, grâce aux travaux de Caroll Chathman, qui améliora la méthode d'Ebelmen à partir d'un sel alcalin fondu à sec. Au début des années 1960, la société Leichleitner réussit à fabriquer des émeraudes par le procédé de cristallisation par dissolution hydrothermale, déjà utilisé pour le quartz et le rubis. Cette méthode consiste à enrober un noyau d'aigue-marine ou de béryl synthétique d'une solution hydrothermale, enrichie des éléments adéquats, qui cristallise l'émeraude.
Aujourd'hui, les émeraudes synthétiques sont issues de ces deux techniques, la fabrication par dissolution anhydre étant la plus utilisée. Elles trouvent une destination commerciale vers la joaillerie car elles présentent des défauts, que l’on nomme, hors milieu purement gemmologique de « jardin », ce qui, en fait, définissait les givres de guérisons semblables à ceux des pierres naturelles ; elles se distinguent en cela des rubis et des saphirs synthétiques, dont la pureté les trahit et les destine plutôt à des usages industriels. Les émeraudes synthétiques se distinguent toutefois des pierres naturelles par une densité légèrement plus faible (de 2,65 à 2,71) et des indices de réfraction moindres allant de 1,56 à 1,58 avec une biréfringence de 0,003 pour les synthèses au fondant et une densité d’environ 2,67 accompagnée par des indices de réfractions allant de 1,56 à 1,57 pour les synthèses hydrothermales. Mais aussi par les inclusions présentent tel que de nombreux reflux dans la matière, des pointes fibreuses (whispy veil), des reflux en gouttelettes (flux droplets), des cavités en « tête d’aiguille » terminés par un cristal, des chevrons (hydrothermale), de la brume ressemblant à celle généré par une source de forte chaleur (hydrothermale) ou tout simplement des inclusions en aiguilles (hydrothermale).
La synthèse hydrothermale : Histoire et caractéristiques
Les premières émeraudes synthétiques ont été obtenues en 1847. La commercialisation de ces cristaux - appelés émeraudes Igmerald – débuta réellement en 1946 aux États-Unis, où Carroll Chatham avait mis au point à San Francisco un procédé pour obtenir de gros monocristaux. Ces derniers comportent, comme les pierres naturelles, de nombreux défauts de croissance (les « givres » et les « jardins ») et sont essentiellement destinés à la joaillerie. Une centaine de kilogrammes d'émeraudes synthétiques sont ainsi fabriqués actuellement dans le monde par dissolution anhydre. L’amélioration de cette technique se poursuit en 1965 grâce aux scientifiques américains Edith M. Flanigen et son équipe du Centre de Recherche Linde (Union Carbide) sur la fabrication d'Émeraudes synthétiques d'un poids unitaire supérieur au gramme.
La première production de croissance complète a été réalisée par cette société, Union Carbide, vers 1961 (brevets déposés en 1964). Toutefois, même si ce procédé s'est poursuivi par la suite, il reste marginal vis-à -vis de celui de la dissolution hydrothermale. L’application de cette méthode reste pour le moins internationale avec plus d’une dizaine de fabricants venant des USA, de Russie, d’Australie, de Chine, d’Autriche, d’Allemagne, d’Autriche, et de République Tchèque tel que, respectivement, Bell Telephone Labs/Union Carbide / Linde Crystal Products/ Vacuum Ventures / Regency/Chatham Research Lab ; Miracrys, Vasar/ Tairus/ RusGems, Mineral Group/ Institut de Cristallographie de Moscou / Emcom, Synthetic Crystals ; Biron ; Institute of Geology for Mineral Resources ; Axtal ; Malossi.
La dissolution hydrothermale repose sur la croissance en solution dans une autoclave. Il s’agit d’une cristallisation chimique qui a pour but d’imiter un procédé naturel de sursaturation observé dans les mers salées. Procédé qui à la particularité de pouvoir développer un grand nombre de cristaux. Le haut de l'autoclave contient des germes, le bas le matériau de base (le corps mère). La température dans la partie basse est plus élevée que dans la partie haute, ce qui induit un déplacement du fluide hydrothermal vers les germes, où il se refroidit et donc se sursature, permettant ainsi la croissance cristalline autour de ces derniers. Comme dans n'importe quel système thermique chauffé par le bas, un gradient thermique s'établit provoquant un mouvement convectif vertical et l'enrichissement continu du fluide hydrothermal. La nucléation - apparition spontanée de cristaux – peut également se produire dans l'autoclave ; ce processus n'est pas sans rappeler les processus naturels de cristallisation dans les géodes(ou druses) sous l'action des fluides hydrothermaux terrestres. Contrairement à la dissolution anhydre, l'eau joue ici le rôle de solvant. Les constituants du cristal à synthétiser sont donc dissous dans une solution aqueuse alcaline montée en température et sous pression autour d'un ou plusieurs germes suspendus par des fils de platine, le tout enrichi par convection. Un ou des agents colorants sont ajoutés à la solution tels que le chrome, le fer, le nickel, le cobalt, le vanadium, le manganèse, le néodyme, etc.Les deux principales synthèses fabriquées par cette méthode sont le Béryl et le Quartz. La croissance du Béryl chromifère, variété Émeraude, est réalisée à une température de 500 à 620°C sous une pression de 700 à 1400 bars.  Les coûts pour la fabrication de ces émeraudes sont relativement élevés, ainsi que pour le béryl en général (béryl rouge, Bixbite) en raison d’une croissance très lente de seulement 3 à 10 millimètres par semaine ! Ces différentes synthèses d'Émeraude portent parfois le nom du scientifique ou de la société qui est à l'origine de sa fabrication tels que les émeraudes synthétiques Crescent Vert, Emerita, Inamori, Regency, Linde, Biron, Malossi, etc. Ces synthèses de type hydrothermale sont reconnaissable aux marques de croissance en dents de scie ou en chevrons, aux zones de couleur rectilignes, aux cavités en forme de clous à tête de "mie de pain", aux inclusions en "mie de pain" blanches, beiges, brunes ou presque noires, aux inclusions fluides aplaties ou contractées, aux "empreintes digitales" ou givres de guérison que l’on nomme plus haut comme étant des jardins, aux voiles multiples ou aux fils de platine, et Phénacite en cristaux ou en "mie de pain"
Emeraude hydrothermalede fabrication russemonocristal 56 caratsColl. D. AlbertPhoto © Gemmo.eu
Structure en chevronsou en dents de sciedans l'Emeraude hydro.Coll. Gems-Plus.comPhoto © Gemmo.eu
Structure en dents descie dans l'Emeraudehydrothermale,Illustration© E. Kockler-Thomas
"Clous" de phénacitedans l'EmeraudehydrothermaleIllustration© E. Kockler-Thomas
Flux solide dans la matière
©Thierry Pradat
Phénacite
©Thierry Pradat
La synthèse au fondant : Histoire et caractéristiques
La croissance en dissolution anhydre a toujours été la méthode privilégiée pour l'obtention de ces cristaux. Les premières synthèses avérées de béryl ont été obtenues par Paul Hautefeuille (1836-1902), professeur de minéralogie à la faculté des sciences de Paris. Il a établi, avec son collègue H. Perrey, que les meilleurs sels devaient être constitués d'oxyde de lithium (LiO2), d'oxyde de molybdène (MoO3) et, accessoirement, d'oxyde de vanadium (V2O5). Avec un soluté reproduisant la composition du béryl, il obtint des cristaux atteignant un millimètre après un chauffage de 800 0C pendant deux semaines. Toutefois, même si ce procédé s'est poursuivi par la suite, il reste marginal vis-à -vis de celui de la dissolution hydrothermale. La première amélioration de ce processus est le résultat du travail d’un chimiste français, monsieur Jacques Joseph Ebelmen, né en 1814 et mort en 1852 qui découvert que l’utilisation d’un fondant à base d’acide borique ou de borax produisait de meilleurs cristaux. Vient ensuite en 1888 Paul Gabriel Hautefeuille (né en 1836 puis décédé en 1902) en compagnie de monsieur Adolphe Jean Edme Perrey qui développèrent un nouveau fondant à base de molybdate de lithium. Nouvelle technique suivit en 1911 par la société allemande IG-Farbenindustrie AG dont le processus de fabrication de cristaux d'Émeraude opaques à translucides de 20 mm de longueur en 12 mois est celui montré ci-dessus, à l'aide d'un fondant de molybdate de lithium et de vanadate. De là jusqu’en 1985 la technique de production fut améliorée entre autres en 1959 par l'américain Carroll C. Chatham, en 1963 par le français Pierre Gilson et en 1978 par le laboratoire japonais Kyocera (Inamori). Les composants de la gemme synthétique souhaitée, une amorce optionnelle, de la silice nutritive, un agent chromophore et un fondant anhydre (sans eau) sont placés dans un creuset en platine. Le tout est chauffé sous pression ambiante jusqu'à la température de dissolution et de recristallisation en monocristaux de l’émeraude où le fondant est le plus souvent à base de molybdate de lithium, technique développée en 1888. Le refroidissement lent entraîne la formation et la croissance de cristaux qui remontent jusqu'à la grille en platine (l’amorce). Diverses variantes et d'autres fondants peuvent être employés tels que le fluorure de plomb, l'oxyde de bismuth, de plomb ou de vanadium, le borate ou le carbonate de sodium et beaucoup d’autres comme indiqué plus haut. Les coûts de production sont relativement élevés car le processus complet est long, allant jusqu'à une année pour les cristaux les plus gros. Voilà pourquoi la synthèse hydrothermale est la méthode privilégiée pour la fabrication de ce béryl vert sans compter le fait que les inclusions générées, ce « jardin », donnent une apparence proche de la réalité étant donné que les émeraudes sont généralement très incluses en raison de leur faible ténacité. En ce qui concerne les inclusions présentent dans ce type de synthèse, au fondant, on trouve une nouvelle fois des givres de guérisons, des bulles déformées, contractées ou allongées, des inclusions biphasées et rarement triphasées, des zones de tension, du platine en inclusions aciculaires ou tabulaires parfois hexagonales ou des béryls recristallisés dans le Béryl.
Emeraude synthétiquede fabrication Chathamenviron 7 caratsColl. F. HargousPhoto © Gemmo.eu
Emeraude synthétiquede fabrication Gilson5,80 caratsColl. GilsonPhoto © Gemmo.eu
Emeraude synthétiquede fabrication Gilsongros cristal 435 ctColl. GilsonPhoto © Gemmo.eu
Emeraude synthétiquede fabrication Gilson4,05 caratsColl. GilsonPhoto © Gemmo.eu
Emeraude synthétiquede fabrication Gilson4,20 caratsColl. GilsonPhoto © Gemmo.eu
Remarquez les photos ci-dessus, très représentatives de la qualité de fabrication de chacun apportant une certaine couleur, une certaine pureté et surtout un poids relativement différent.
Voiles dansl'Emeraude anhydre,toutes fabricationsIllustration© E. Kockler-Thomas
Bulles de retrait dansl'Emeraude anhydre,toutes fabricationsIllustration© E. Kockler-Thomas
Grains noirs et zonesrectilignes dans l'Emeraudede fabrication LennixIllustration© E. Kockler-Thomas
Fabrication Inamori (proc dissolution anhydre) : Inclusion de type : 'solide', de nature : 'germe de béryl, à aspect : « cristal sur fil de platine »Darkfield et Oblique 15X.
Fabrication Inamori (proc dissolution anhydre) : Inclusion de type : 'solide', de nature : « reliquat, grains de fondant », à aspect : 'voile'.Darkfield 45X.
Fabrication Gilson (proc dissolution anhydre) : Inclusion de type : « Solide et/ou liquide », de nature : reliquat de fondant "flux"', à aspect : « réseau, plume, voile ».Darkfield illumination 30X.
Fabrication Chatham (proc dissolution anhydre) : Inclusion de type : solide, de nature : résidus de fondant "flux"', à aspect : « voiles ondulants ».Darkfield illumination 45X
Concernant les fabricants, une fois encore il s’agit d’une méthode de fabrication internationale avec, pour les plus connus :
-Aux USA: Bell Telephone Labs, Union Carbide, Linde Crystal Products, American Elements, Creative Crystals, Chatham Research Lab, Kashan et Ramaura.
-En Russie : Institut de Géologie et de Géophysique de Novosibirsk, Miracrys, etc.
-En Allemagne : IG-Farbenindustrie AG, Nacken et Zerfass.
-En France : ICMCB, Établissements Céramiques Pierre Gilson et Lennix
-Au Japon : Seiko, Kyocera, Inamori, Katsuhiro Teraishi, Seikosha et Nakazumi Earth Crystals.
-En Autriche : Knischka et Lechleitner.
-En Grèce : Douros.
Conclusion
Les différentes méthodes de synthétisation connues de l’émeraude sont les résultats de plusieurs années de recherches sur d’autres sujets que cette dernière tel que le quartz pour la guerre. Autant la synthèse hydrothermale que la synthèse au fondant, toutes deux ont été développé pour fabriquer d’autres cristaux, la fabrication de ce béryl n’est qu’un dérivé de l’application de ces deux méthodes. Dérivé très réussi jusqu’à poser des problèmes à nombres de gemmologues en raison de son apparence trompeuse. L’émeraude se faisant de plus en plus rare, ces synthèses restent de bonnes alternatives pour d'éventuels acquéreurs qui ne peuvent se permettre de s’acheter de belles pièces de plus de 5ct d’un beau vert émeraude, n’est-ce pas ?!
Bibliographie
Merci aux auteurs de tous ces ouvrages :
- P. BARIAND & J.-P. POIROT, Larousse des pierres précieuses, Larousse-Bordas, Paris, 1998
- J.-C. BOUILLIARD, Et l'homme créa la pierre. Les synthèses de cristaux, Collection de minéraux/Université Pierre-et-Marie-Curie, Paris, 1996
- S. MEUNIER, Les Méthodes de synthèse en minéralogie, Baudry, Paris, 1861
Ainsi qu’aux écoles ci-dessous :
-L’École des gemmes
- The Gemmological Association Of Great Britain
-Le Laboratoire Français de Gemmologie
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