Master 1 Enseignement

1
Master 1 Enseignement
Radiochronologie et géochimie isotopique
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Plan

1. Introduction
2. Rappels et approfondissements La loi de la
   radioactivité Les techniques analytiques
3. Datation radiocarbone Principe Complications
   et corrections Bouleversements
   anthropiques Recommandations Un exemple
4. La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La
   température de fermeture Datation du
   métamorphisme
5. Conclusions

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1. Introduction Pourquoi dater?
Origine de l'Homme
Homme de Dmanissi (CRAS - Paleoev. , 2002) -
Géorgie
Homme moderne Homo sapiens
Homme de Toumaï (Nature, 2002) - Tchad
Plus vieil hominidé Age Flore 7 Ma
Plus vieil hominidé européen Age Ar-Ar 1.8 Ma
Date de sortie d'Afrique ? Schéma des migrations ?
Migrations Extinctions...
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1. Introduction Pourquoi dater?
Age du système solaire
Age donné par les météorites les plus primitives
du système solaire CHONDRITES T 4.566 Ga
/- 2 Ma (méthode U/Pb)
"Pierre de Rosette" Météorite d'Allende (Tombée
Mexique 1969) Inclusions de Ca-Al considérées
comme la matière la plus vieille du SS
Condensation /- synchrone des objets planétaires
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1. Introduction Pourquoi dater?
Age et évolution des continents
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1. Introduction Pourquoi dater?
Naissance des continents
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1. Introduction Pourquoi dater?
Naissance et évolution des océans
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1. Introduction Pourquoi dater?
Datation des phases orogéniques
Détail Carte au 1/1000000
Massif Central magmatisme Hercynien Datation du
Plutonisme
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1. Introduction Pourquoi dater?
Grandes questions de l'évolution de la vie
(crises)
Echelle des temps géologiques Evolution de la
vie
Etablissement du temps absolu pour l'échelle
géologique
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1. Introduction les radioéléments
Les Radioéléments naturels et induits
Elément radioactif formé en haute atmosphère et à
la surface terrestre par l'effet du rayonnement
cosmique
Elément radioactif intégré dans les minéraux de
la roche depuis la cristallisation à partir du
magma (qui contenait aussi ces éléments
chimiques)
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1. Introduction
Les Radioéléments naturels en Géosciences Intégrat
ion des éléments radioactifs dans les systèmes
cristallins
MINERAL - CRISTAL
Eléments radioactifs en "impuretés" dans les
systèmes cristallins (substitution) ou en
éléments majeurs
Quartz
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1. Introduction
En somme Chronologie relative applicable sur
les 600 derniers Ma Datation abusivement dite
 absolue  , basée sur les méthodes
radiométriques. En géologie, datation des
minéraux de roches magmatiques ou
métamorphiques. Basée sur la transformation de
pères radioactifs en fils radiogéniques
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Plan

1. Introduction
2. Rappels et approfondissements La loi de la
   radioactivité Les techniques analytiques
3. Datation radiocarbone Principe Complications
   Corrections Bouleversements anthropiques Recomma
   ndations Un exemple
4. La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La
   température de fermeture Datation du
   métamorphisme
5. Conclusions

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2.1 Rappels La loi de la radioactivité
Les différents modes de décroissance radioactive
l
Atome radioactif ? atome
radiogénique. Atome radioactif atome
Père Atome radiogénique atome Fils
Il existe 3 modes de filiation
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2.1 Rappels La loi de la radioactivité
Mode 1
Ex Rb/Sr, Sm/Nd, 14C,
P ? F stable
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2.1 Rappels La loi de la radioactivité
Mode 2
P ? F1 stable ? F2 stable
Ex K/Ar
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2.1 Rappels La loi de la radioactivité
Mode 3 la chaîne de désintégration
P ? F1 ? F2 ?Fn ? F stable
Ex 238U/206Pb, 235U/207Pb, 232Th/208Pb
Les équations se compliquent .... Mais cela reste
assez simple
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2.1 Rappels La loi de la radioactivité

• Le nombre de désintégrations par unité de temps
  est proportionnel au nombre datome radioactif à
  linstant t.
• Où dN/dt est le taux (vitesse) de désintégration,
  ? est la constante de désintégration, et N est le
  nombre datomes radioactifs restant à linstant
  t.
• La constante de désintégration, ?, est
  indépendante des conditions de pression et de
  température.

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2.1 Rappels La loi de la radioactivité

• Par intégration, on obtient
• où N0 est le nombre datomes radioactifs à t0 0

ou
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2.1 Rappels La loi de la radioactivité
Demi-vie Temps requis pour que la moitié dun
stock donné de radioéléments se soit
désintégré. Si t T1/2, alors N N0/2, de
sorte que
21
2.1 Rappels La loi de la radioactivité
22
2.2 Rappels Techniques analytiques (radiochimie)
U/Th 210Pb 14C (beta)
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2.2 Rappels Techniques analytiques
(spectrométrie de masse)
Salle blanche
Séparation chimique Père / Fils
Obtention d'une solution pure en Rb ou Sr, ou Sm,
ou Nd...
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2.2 Rappels Techniques analytiques
(spectrométrie de masse)
Rb/Sr Sm/Nd U/Pb
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2.2 Rappels Techniques analytiques
(spectrométrie de masse)
Spectromètre de masse Source solide TIMS
CEREGE
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2.2 Rappels Quels radioéléments choisir?
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Plan

1. Introduction
2. Rappels et approfondissements La loi de la
   radioactivité Les techniques analytiques
3. Datation radiocarbone Principe Complications
   Corrections Bouleversements anthropiques Recomma
   ndations Un exemple
4. La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La
   température de fermeture Datation du
   métamorphisme
5. Conclusions

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3.1 Datation radiocarbone Principe
Il existe 7 isotopes du carbone  10C, 11C, 12C,
13C, 14C, 15C, 16C.
Isotope Protons Neutrons Proportion Half life
12C 6 6 99 stable
13C 6 7 1 stable
14C 6 8 0.0000000001 5568 ans
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3.1 Datation radiocarbone Principe
Désintégration du 14C avec émission beta
Découverte de Libby 1946.
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3.1 Datation radiocarbone Principe
Activité initiale A0 Le 14C est rapidement oxydé
pour donner du gaz carbonique ( ex absorbé par
les plantes au cours de la photosynthèse ). Le
bois vivant contient donc toujours une certaine
proportion de carbone 14, et on a constaté que
cette quantité était constante dans le monde,
chaque gramme de carbone contenant suffisamment
d'isotopes 14C pour qu'un détecteur enregistre
13.6 désintégrations par minute et par gramme de
carbone ( dpm/g ).
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3.1 Datation radiocarbone Principe
Période T est théoriquement de 5730 40 ans
(GODWIN, 1962 ) mais suite à des conventions
internationales de la communauté scientifique du
radiocarbone pour éviter des confusions, la
période utilisée est celle mise en évidence par
Willard Libby de 5568 30 ans. Valeur adoptée
dès 1951.
t (1/l).ln(A0/A) avec 1/l T/ln2 8033
32
3.1 Datation radiocarbone Principe
Un cas simple
A ou N mesuré
A0 ou N0 connu
Donné par les physiciens
33
3.1 Datation radiocarbone Principe
Mesure du 14C par
Scintillation liquide Spectrométrie de masse par accélérateur
Charbon de bois Os 5 à 10 g 100 à 500 g 5 à 10 mg 1 à 5 g
Durée de la mesure pour une même précision 3 jours 1 heure
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3.2 Datation radiocarbone Complications

• Après 7 demi-vie, lactivité nest plus vraiment
  mesurable. La limite inférieure est donc de
  lordre de 35,000-45,000 ans. La limite
  supérieure aux environs de la Renaissance.
• Autres complications
• Variations du 14C du fait du fractionnement
  physique ou chimique.
• Variations dans les taux de production du 14C -
  fluctuations dans le rayonnement cosmique-
  Changements dans le champ magnétique
• 3. La période de demi-vie est de mieux en mieux
  connue

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3.2 Datation radiocarbone Complications
Fractionnement Chaque isotope est animé dun
mouvement de vibration, donc dune aptitude au
déplacement dont la fréquence est fonction
inverse de la masse. Par conséquent les
molécules lourdes réagissent moins vite que les
légères au cours dune réaction chimique. Aussi
des fractionnements isotopiques se produisent-ils
au cours - De réactions déchanges isotopiques -
De processus physico-chimiques dordre cinétique
comme la diffusion - De changements détat
(absorption-désorption, évaporation-condensation
et fusion-cristallisation). La photosynthèse des
plantes privilégie le 12C aux dépends du 13C et
du 14C . Attention donc
36
3.2 Datation radiocarbone Complications
La plus grande partie des variations à long terme
de 14C dans l'atmosphère est due à une variation
dans le taux de production. Protons galactiques
déviés par le champ magnétique. Donc une baisse
de l'intensité du champ magnétique entraîne une
augmentation de la production de 14C.
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3.3 Datation radiocarbone Corrections
Correction des dates radiocarbone Plusieurs
types de matériaux, datables par la méthode du
radiocarbone, peuvent aussi être datés,
indépendamment, parfois à lannée près, par 1.
le comptage de varves (annuelles) dans les lacs
(p. ex. le Gerzensee, le lac Gosciaz) ou des
bassins océaniques (le bassin de Cariaco) 2. des
séries dendrochronologiques 3. la critique
historique (objets archéologiques) 4. lU/Th sur
du calcaire (stalagmites, concrétions) Ce qui
permet de convertir léchelle de temps 14C en
temps solaires ( calendrier ). Le résultat,
une table de conversion, est généralement
exprimé sous forme dune courbe de
calibration. Une telle courbe permet de
calibrer, pour le moment, lensemble des dates
14C de lHolocène et celles des derniers siècles
du Pléistocène avec une précision de 20 ans.
38
3.3 Datation radiocarbone Corrections
Dendrochronologie
Comptage de varves
39
3.3 Datation radiocarbone Corrections
40
3.3 Datation radiocarbone Corrections
41
3.3 Datation radiocarbone Corrections
Pour comprendre un peu mieux la méthode de
traitement et de propagation des erreurs, je vous
engage à télécharger puis installer un petit
logiciel (Oxcal, PC uniquement) qui permet
dobtenir une calibration précise et visuelle de
vos résultats 14C  http//www.rlaha.ox.ac.uk/orau
/oxcal.html. Autre programme (PC et Mac), moins
intuitif mais reconnu comme la référence en la
matière  http//radiocarbon.pa.qub.ac.uk/calib/.
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3.3 Datation radiocarbone Corrections
Lâge 14C conventionnel Stuiver Pollach
(1977) implique - une demi-vie (valeur de
Libby) de 556830 ans, - une normalisation
du d13C à -25 pour mille et - 0 BP pour le 1.
janvier 1950. Sigles dans la revue
 Radiocarbon  1. Les âges radiocarbone
sont suivis du sigle BP   par exemple, 251050
BP est une date 14C. 2. Les âges calibrés
sont désignés par cal. par exemple cal.
A.D. 1450 ou 3720 cal. B.C. Les dates 14C
donnent une probabilité et non pas un temps
réel. Par exemple, une date de 5000100 BP
indique une probabilité de 68 que l'âge
radiocarbone se situe entre 4900 et 5100 ans
BP de 95 qu'il se situe entre 4800 et 5200 BP (2
sigma) de 99 qu'il se situe entre 4700 et 5300
ans (3 sigma) BP
CONVENTIONS
43
3.3 Datation radiocarbone Corrections
Un exemple de rapport danalyse
44
3.4 Datation radiocarbone Bouleversements
anthropiques
Effet Suess dilution du 14C atmosphérique par
combustion de pétrole et de charbon depuis l'ère
industrielle. Déficit de 2 en 1950. A partir de
1955, création de 14C artificiel par les
explosions nucléaires. En 1962-63, 100 de 14C
dans l'hémisphère nord (fin des essais américains
en 1962). Ensuite dilution avec l'hémisphère sud,
échanges avec l'océan et la biomasse
Development of 14C in atmospheric CO2 in the
Northern Hemisphere in the last 50 years. Data
before 1959 have been derived from tree rings
(Stuiver and Quay, EPSL 53, 349-362, 1981). From
1959 to 1983 measurements were performed at the
Alpine site Vermunt  subsequent data from 1984
onwards are from the Schauinsland station  in the
Black Forest. 
45
3.6 Datation radiocarbone Un exemple
46
3.6 Datation radiocarbone Un exemple
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Plan

1. Introduction
2. Rappels et approfondissements La loi de la
   radioactivité Les techniques analytiques
3. Datation radiocarbone Principe Complications
   Corrections Bouleversements anthropiques Recomma
   ndations Un exemple
4. La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La
   température de fermeture Datation du
   métamorphisme
5. Conclusions

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4.1 Le couple Rb/Sr - Principe
Un cas plus compliqué (Rb/Sr)
N mesuré
D0
D mesuré

• Pour dater une roche, on doit donc connaître D,
  D0, N et ?.
• D et N sont mesurés
• ? est constant, connu des physiciens
• Comment déterminer D0?

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4.1 Le couple Rb/Sr - Principe

• Croissance disotopes stables radiogéniques
• Si la désintégration dun isotope père radioactif
  donne un isotope stable radiogénique on peut
  écrire
• D est le nombre disotopes radiogéniques.

1 père donne un fils
50
4.1 Le couple Rb/Sr - Principe
Courbe de désintégration dun isotope père
radioactif et courbe de croissance de son fils
stable.
Courbe de croissance des fils
Décroissance des pères
51
4.1 Le couple Rb/Sr - Principe

• Equation géochronométrique
• Plus utile que la précédente car on ne connaît
  pas toujours N0 dans une roche, mais on peut
  déterminer N.
• Problème on ne mesure pas les fils radiogéniques
  mais les fils totaux D D0 D
• où D est le nombre total disotopes fils, D0 est
  le nombre disotopes fils présents au moment de
  la formation de la roche, et D est le nombre
  disotopes fils produits par désintégration de
  lisotope père.

D0???
52
4.2 Le couple Rb/Sr Lisochrone
Isochrone
Pour des roches magmatiques actuelles même
rapport isotopique dans une même roche pour tous
les minéraux Pour les magmas anciens
correction de l'âge de la roche pour retrouver la
composition initiale
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4.2 Le couple Rb/Sr Lisochrone
54
4.2 Le couple Rb/Sr Lisochrone
Diagramme schématique montrant comment
lisochrone Rb-Sr évolue en fonction du temps.
M1 et M2 sont des minéraux cogénétiques et R1 et
R2 sont des roches cogénétiques, tous avec des
rapports Rb/Sr différents.
55
4.2 Le couple Rb/Sr Lisochrone
Datation du volcanisme lunaire
T 3.4 /- 0.1 Ga 87Sr/86Sr initial 0.6993
APOLLO 15 Borg et al.
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4.3 Le couple Rb/Sr La température de fermeture

• Minéral horloge

• Quand l'horloge commence-t-elle ?

• Chaque minéral a une T de fermeture, au dessous
  de laquelle, ce minéral n'échange plus
  d'éléments chimiques avec le milieu extérieur
  (magma, eau de mer, autres minéraux...)

Horloge commence quand le minéral atteint une Tlt
T de fermeture Remise à zéro de l'horloge quand
minéral atteint une Tgt T de fermeture
Age mesuré âge de fermeture du système
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4.3 Le couple Rb/Sr La température de fermeture
Ni perte ni gain disotopes radioactifs ou
radiogéniques dans le minéral Comportement en
système clos
TgtTf
TTf
TltTf
Magma
Magma
Cristal
Début Horloge
Fonctionnement Horloge Décroissance radioactive
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4.4 Le couple Rb/Sr Datation du métamorphisme
Une augmentation en T de 100-200C
(métamorphisme) peut affecter les relations du
couple père-fils. Diffusion solide à l'échelle
des minéraux sans changement textural. Création
de couples donneurs - accepteurs. Par exemple
biotite (mica noir K(MgFe)3 Si3AlO10(OH,F)2)
riche en 87Rb et donc en 87Sr radiogénique, alors
que l'apatite (Ca5(PO4)3(OH, F, Cl)) est plus
pauvre en Sr. Migration du 87Sr de la biotite
vers l'apatite. Le phénomène s'arrête quand
l'homogénéisation isotopique est atteinte. Le
produite de la désintégration est le plus
susceptible de diffuser du fait de la dégradation
du réseau cristallin par la désintégration.
59
4.4 Le couple Rb/Sr Datation du métamorphisme
60
Plan

1. Introduction
2. Rappels et approfondissements La loi de la
   radioactivité Les techniques analytiques
3. Datation radiocarbone Principe Complications
   Corrections Bouleversements anthropiques Recomma
   ndations Un exemple
4. La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La
   température de fermeture Datation du
   métamorphisme
5. Conclusions

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5. Conclusions

• Conditions requises en géochronologie
• N et D ont évolué par le seul résultat de la
  désintégration. Le système est resté chimiquement
  clos (pas de pertes, ni de gains disotopes pères
  ou disotopes fils, excepté par désintégration).
• La constante de désintégration est précisément
  connue.
• 3) Lisochrone ne correspond pas à une droite de
  mélange.
• 4) Les données analytiques sont suffisamment
  précises.