Radiochronologie et géochimie isotopique (2/2)

1. Licence 2 Radiochronologie et géochimie isotopique (2/2) Géochronologie et géochimie

2. Plan • La méthode Sm-NdPrincipe Les terres rares L’âge isochrone L’âge modèle La notation e Couplage avec le Rb – Sr • La méthode U/PbPrincipe Ages isochrones Th-Pb et U-Pb Isochrone Pb-Pb. La concordia Datation ponctuelle Quelques exemples Géochronologie et géochimie

3. 3. La méthode Sm/Nd Principe Conséquence directe de la recherche en cosmochimie (étude des météorites, Notsu, 1973, Lugmair et al. 1975; et des échantillons lunaires: Lugmair, 1974, Lugmair et al. 1975). Utilisation évidente en géochronologie mais aussi en géochimie isotopique à des fins de traçage. Géochronologie et géochimie

4. 3. La méthode Sm/Nd Le samarium et le néodyme appartiennent au groupe des « Terres Rares (REE)» ou lanthanides. Ils possèdent chacun plusieurs isotopes: Sm: 144Sm, 147Sm, 148Sm, 149Sm, 150Sm, 152Sm, 154Sm. Nd: 142Nd, 143Nd, 144Nd, 145Nd, 146Nd, 148Nd, 150Nd. Le 147Sm est radioactif et se désintègre en 143Nd stable suivant: l = 6,54 10-12 ans-1 T1/2 = 106 Ga Evidemment : datation de roches très vieilles (>1Ga si possible)… Géochronologie et géochimie

5. 3. La méthode Sm/Nd – Les terres rares Géochronologie et géochimie

6. 3. La méthode Sm/Nd – Les terres rares REE Réparties dans toutes les roches en tant qu’éléments traces Substitutions aux ions majeurs (Al, Ca, etc…). Eléments peu solubles dans les eaux (dans l’eau de mer Nd < 3 10-6 ppm). Elles diffusent très peu à l’état solide. Relative insensibilité du couple Sm – Nd aux influences thermiques, mais à l’échelle du minéral, du fait des faibles distances, des redistributions du Sm et du Nd peuvent intervenir entre les minéraux néoformés au cours des recristallisations métamorphiques. Géochronologie et géochimie

7. 3. La méthode Sm/Nd – La méthode isochrone Comme pour le système Rb-Sr on peut définir une droite dont la pente fournit l’âge: Isochrones possibles sur roches totales. Isochrones possibles sur minéraux. Géochronologie et géochimie

8. 3. La méthode Sm/Nd – La méthode isochrone Isochrones sur roches totales: Avantages: caractères réfractaire, insolubilité et d’une façon générale, inertie des REE. Le système Sm-Nd sur roche totale est difficilement perturbé. On date souvent la différenciation magmatique. Métamorphisme de haut degré (faciès granulite) ne perturbe pas le Sm – Nd à l’échelle de la roche totale, alors que Rb – Sr et U – Pb sont le plus souvent affectés. Problèmes: Comportement identique Sm – Nd donc peu de variations du rapport Sm/Nd au sein d’un groupe de roches totales. On prend des échantillons de compositions assez différentes (acides et basiques) et la condition de cogénétisme n’est peut être pas remplie…. Géochronologie et géochimie

9. 3. La méthode Sm/Nd – La méthode isochrone Isochrones sur minéraux: Les rapports Sm – Nd sont suffisamment variés. Age = celui de leur cristallisation. Si ce sont des minéraux métamorphiques, on date le métamorphisme. Diagramme isochrone Sm-Nd illustrant des données provenant de filons d’or au Zimbabwe. Géochronologie et géochimie

10. 2. Rappels – Méthode isochrone Rb/Sr Datation du volcanisme lunaire T = 3.4 +/- 0.1 Ga 87Sr/86Sr initial = 0.6993 143Nd/144Nd initial = +1.2 +/- 1 APOLLO 15 Borg et al. Géochronologie et géochimie

11. 3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique MODELE CHONDRITIQUE Matériel le plus primitif du SS : = REFERENCE PRIMAIRE Géochronologie et géochimie

12. 3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique Le rayon ionique des REE diminue lentement du La au Lu (1,06 à 0,86 A). Le Sm et Nd sont très voisins. Comportements chimiques semblables. Les rapports Sm/Nd sont peu différenciés (variation d’un facteur 3 dans les systèmes géologiques). n° atomique pair plus abondant que les n° atomiques impairs qui les encadrent HREE LREE Géochronologie et géochimie

13. 3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique Normalisation aux chondrites (spectres de REE) Grandes familles Courbes plus lisses Géochronologie et géochimie

14. 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle Le modèle CHUR suppose que le manteau de la Terre primitive avait la même composition isotopique que la moyenne des météorites chondritiques à la formation de la Terre (4.56 Ga). Existence d’un réservoir chimique (le manteau?) de nature chondritique! Géochronologie et géochimie

15. 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle Le Nd est légèrement plus compatible dans la croûte que le Sm. Bien que la différence soit faible, le rapport 143Nd/144Nd augmente plus vite dans le manteau que dans la croûte. En conséquence les roches dérivant du manteau ont des rapports (143Nd/144Nd)Actuel plus grands que les roches crustales. Géochronologie et géochimie

16. 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle Age modèle: âge ICE (Intercept with Chondritic Evolution) ou âge CHUR (Chondritic Unform Reservoir). Une mesure du temps écoulé à partir du moment auquel l’échantillon a été séparé du manteau dont il dérive. Les ages modèles sont utiles car ils peuvent être calculés pour une roche à partir d’une simple mesure des compositions isotopiques en Sm-Nd. Ce modèle repose sur une hypothèse concernant la composition isotopique d’une région source du manteau dont l’échantillon est originaire. Hypothèse sur le rapport (143Nd/144Nd)i Géochronologie et géochimie

17. 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle Géochronologie et géochimie

18. 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle Equation de la droite d’évolution chondritique Au moment de la genèse d’un échantillon, la composition isotopique initiale est identique à celle du CHUR. On a donc: Rapport du CHUR à i Rapport actuel du CHUR: 0,1967 Rapport actuel du CHUR: 0,512636 à 0,512643 Géochronologie et géochimie

19. 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle Equation de la droite d’évolution de l’échantillon Quant à l’échantillon, il évolue suivant: Rapport initial de l’éch. (le même que le CHUR) Rapport de l’éch. (mesuré) Rapport actuel de l’éch. (mesuré) Géochronologie et géochimie

20. 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle En combinant les deux… Ce modèle est très sensible à la différence au dénominateur. Seules les roches présentant des rapports Sm/Nd significativement différents de ceux du CHUR pourront être traitées précisément. Géochronologie et géochimie

21. 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle Signification de l’âge modèle Roches basiques: Les âges modèles peuvent être significatifs quant à l’âge de leur mise en place et de leur cristallisation. Roches acides: Genèse à plusieurs stades, dont des stades crustaux, donc problèmes… Datation par la méthode des isochrones de roches totales ou des isochrones sur minéraux (ou par d’autres méthodes). Attention! Ces ages modèles ne tiennent pas compte des hétérogénéités du manteau. Le manteau terrestre en totalité n’a sans doute pas évolué avec un rapport Sm/Nd chondritique. Attention donc aux interprétations! Géochronologie et géochimie

22. 3. La méthode Sm/Nd – La notation e Evolution des isotopes du Nd avec le temps dans le manteau, la croûte continentale et la terre totale (CHUR). Depleted mantle (appauvrissement en REE légères) Géochronologie et géochimie

23. 3. La méthode Sm/Nd – La notation e Le manteau présente des rapports 147Sm/144Nd supérieurs à ceux du CHUR, de sorte que le manteau a évolué avec des rapports 143Nd/144Nd supérieurs à ceux du CHUR au cours du temps.Nd,CHUR > 0 pour le manteau. La croûte a évoluée avec des rapports 143Nd/144Nd inférieurs à ceux du CHUR au cours du tempsNd,CHUR< 0dans la croûte. Géochronologie et géochimie

24. 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr Rapports isotopiques du Sr : 87Sr/86Sr riSr>CHOND riSr<CHOND Comportements opposés des deux couples Géochronologie et géochimie

25. 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr Rapports isotopiques du Nd : 143Nd/144Nd riNd>CHOND riNd<CHOND Géochronologie et géochimie

26. 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr RESIDUS FP 0.512638 CHOND. LIQUIDES 0.70475 Rapports isotopiques 87Sr/86Sr et 143Nd/144Nd 143Nd/144Nd 87Sr/86Sr Géochronologie et géochimie

27. 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr Ci Sr et Nd MORB & OIB et crôute cont. CHONDRITES Croute continentale = cristallisation des liquides issus de la FP à grande échelle du manteau supérieur dans les temps précoces de la différenciation terrestre (4.6 Ga à 2.5 Ga) Géochronologie et géochimie

28. Plan La méthode U/Pb Principe Ages isochrones Th-Pb et U-Pb Isochrone Pb-Pb. La concordia La sonde ionique: une datation ponctuelle Quelques exemples Géochronologie et géochimie

29. 1. Principe Chaînes de désintégration Pb -207 STABLE Géochronologie et géochimie

30. 1. Principe Les périodes de demi-vie Séries de désintégration de 238U, 232Th et 235U, avec les demi-vies des différents isotopes. Notez qu’il n’y a pas de recouvrement entre les trios chaînes de désintégration et que dans chaque cas on termine avec un isotope du plomb qui est spécifique à son parent, i.e., 238U donne 206Pb, 235U donne 207Pb et 232Th donne 208Pb. Géochronologie et géochimie

31. 1. Principe Géochronologie et géochimie

32. 1. Principe – couples U/Pb et Th/Pb La composition isotopique du Pb primordial (Tatsumoto et al., 1973), déterminée à partir de la météorite « Canyon Diablo », est égale à: 206Pb/204Pb = 9,307  0,006 207Pb/204Pb = 10,294  0,006 208Pb/204Pb = 29,476  0,018 Ces chronomètres sont probablement les plus précis que l’on puisse mettre en œuvre sur des échantillons d’âge géologique raisonnablement vieux (>30 Ma) Géochronologie et géochimie

33. 2. Ages isochrones Th/Pb etU/Pb La stratégie de datation se fera en fonction du type de minéral CONCORDIA Datation Pb-Pb ISOCHRONES U/Pb & Th/Pb Géochronologie et géochimie

34. 2. Ages isochrones Th/Pb etU/Pb Le 204Pb n’est pas radiogénique et il est stable. Nous pouvons alors écrire: N mesuré D0 Dmesuré Géochronologie et géochimie

35. 2. Ages isochrones Th/Pb etU/Pb • Avec comme toujours les conditions suivantes: • Les échantillons sont de même âge; • La composition isotopique du plomb de chaque échantillon au temps de sa formation est identique; • Chaque échantillon s’est comporté en système clos pour chacun des isotopes que le chronomètre utilise. SYNCHRONISME ET COGENETISME! Géochronologie et géochimie

36. 2. Ages isochrones Th/Pb etU/Pb Avec ces géochronomètres, on peut déterminer en théorie trois âges indépendants sur un minéral ou une roche contenant U et Th. Les trois équations devraient donner le même âge si il n’y a eu ni perte ni gain de U, Th ou Pb après que la roche se soit formée. Ces âges sont alors dits “concordants”. Géochronologie et géochimie

37. 2. Ages isochrones Th/Pb etU/Pb Datation possible sur roche totale comme Rb-Sr. Exemple d'isochrone sur roche totale d'un granite du Wyoming (Rosholt et al. Geol. Soc. Am. Bull., 84, 989, 1973). 232Th/204Pb Géochronologie et géochimie

38. 2. Ages isochrones Th/Pb etU/Pb Mais attention… 238U/204Pb Géochronologie et géochimie

39. 2. Ages isochrones Th/Pb etU/Pb L’utilisation de cette méthode est limitée: 1. Pour le système U-Pb, la condition du système clos n’est respectée qu’exceptionnellement. L’altération récente en subsurface évacue très facilement l’uranium (U4+ insoluble en profondeur puis par oxydation uranyle UO2++ plus soluble en surface). 2. Pour le couple 232Th-208Pb, par l’obtention difficile de valeurs précises en 232Th. Géochronologie et géochimie

40. 2. Ages isochrones Pb/Pb La stratégie de datation se fera en fonction du type de minéral CONCORDIA Datation Pb-Pb ISOCHRONES U/Pb & Th/Pb Géochronologie et géochimie

41. 2. Ages isochrones Pb/Pb pente Géochronologie et géochimie

42. 2. Ages isochrones Pb/Pb Géochronologie et géochimie

43. 2. Ages isochrones Pb/Pb Datation Pb-Pb : diagramme 207Pb/204Pb vs 206Pb/204Pb µ=238U/204Pb Utilisée uniquement sur Fds et Galènes : CI Pb fixe en fonction du temps Géochronologie et géochimie

44. 2. Ages isochrones Pb/Pb Galènes (PbS): pas d’U, composition isotopique gelée à la formation du gisement. Géochronologie et géochimie

45. 2. Ages isochrones Th/Pb etU/Pb La stratégie de datation se fera en fonction du type de minéral CONCORDIA Datation Pb-Pb ISOCHRONES U/Pb & Th/Pb Géochronologie et géochimie

46. 3. La concordia Le zircon Le zircon (ZrSiO4) est souvent utilisé. 1. ll est commun. 2. Il permet la substitution de l’U et du Th au Zr: rZr4+ = 0.80 Å; rU4+ = 0.97 Å; rTh4+ = 1.08 Å 3.A la formation initiale, il n’y a pas de Pb: rPb2+ = 1.26 Å. 4. Avec la désintégration, le Pb radiogénique est plutôt retenu et ne peut s’échapper que sous certaines conditions. 5. Il est très réfractaire (i.e., préserve l’info originale malgré métamorphisme et altération). Zircon Pseudo octaèdrique Cristaux prismatiques allongés de zircon Géochronologie et géochimie

47. 3. La concordia Modèle corcordant 206Pb* = 238U(el1t -1) 207Pb* = 235U(el2t -1) 206Pb*/ 238U = (el1t -1) 207Pb* / 235U = (el2t -1) Valeurs numériques de e1t - 1, e2t - 1, et du rapport 207Pb/206Pb radiogénique en fonction de t. Géochronologie et géochimie

48. 3. La concordia Diagramme Concordia : combinaison de 2 chronomètres Choix : Minéral sans Pb initial (souvent zircon) Pas dans la nature (expérimental) = R8 = R8 Courbe = lieu où les deux méthodes donnent le même âge lieu des discordias = R5 = R5 Si les points sont concordants : même âge Géochronologie et géochimie

49. 3. La concordia Age concordant Pas dans la nature (expérimental) = R8 Ech. concordants lieu des discordias = R5 Géochronologie et géochimie

50. 3. La concordia • Problèmes: • Le Pb ne s’ajuste pas bien dans la matrice, il peut diffuser. • Pire encore avec la désintégration alpha… • Le métamorphisme exacerbe les pertes en Pb. • Pertes hétérogènes suivant les zircons. Petits grains plus affectés que les gros. Géochronologie et géochimie