notions de géochronologie1 licence 2 ste. notions de géochronologie2 1.introduction 2.rappels et...

Notions de géochronologie 1

Licence 2 STE


1. Introduction

2. Rappels et approfondissements

La loi de la radioactivitéLes techniques analytiques

3. Datation radiocarbone

PrincipeComplications et correctionsBouleversements anthropiquesRecommandationsUn exemple

4. La méthode Rb/Sr

PrincipeL’isochroneLa température de fermetureDatation du métamorphisme

5. Conclusions

Plan


Origine de l'Homme

Homme de Toumaï (Nature, 2002) - Tchad

Plus vieil hominidéAge Flore : 7 Ma

Homme de Dmanissi (CRAS - Paleoev. , 2002)

- Géorgie

Plus vieil hominidé européenAge Ar-Ar : 1.8 Ma

Date de sortie d'Afrique ?Schéma des migrations ?

MigrationsExtinctions...

Homme moderneHomo sapiens

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



Age et évolution des continents



Naissance des continents



Naissance et évolution des océans



Datation des phases orogéniques

Massif Central : magmatisme HercynienDatation du Plutonisme

Détail Carte au 1/1000000



Grandes questions de l'évolution de la vie

(crises)

Etablissementdu temps absolu

pour l'échelle géologique

Echelle des tempsgéologiques

Evolution de la vie



Les Radioéléments naturels et induits

Elément radioactifintégré dans les

minéraux de la roche depuis la cristallisation à

partir du magma (qui contenait aussi ces

éléments chimiques)

Elément radioactifformé en haute

atmosphère et à la surface terrestre par

l'effet du rayonnement cosmique

1. Introduction – les radioéléments


Les Radioéléments naturels en GéosciencesIntégration des éléments radioactifs dans les systèmes cristallins

Quartz

MINERAL - CRISTAL

Structure atomique

atomes

Eléments radioactifsen "impuretés" dans les systèmes cristallins (substitution)

ou en éléments majeurs

Atomesradioactifs

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

1. Introduction


1. Introduction




PrincipeComplications…CorrectionsBouleversements anthropiquesRecommandationsUn exemple



5. Conclusions

Plan


Il existe 3 modes de filiation

Les différents modes de décroissance radioactive

Atome radioactif atome radiogénique.

Atome radioactif = atome PèreAtome radiogénique = atome Fils

2.1 Rappels – La loi de la radioactivité


Mode 1 P* F stableEx : Rb/Sr, Sm/Nd, 14C,



Mode 2 P* F1

stable

F2 stable

Ex : K/Ar



Mode 3 : la chaîne de désintégration

P* F1* F2* …Fn* … F stable

Les équations se compliquent .... Mais cela reste assez simple

Ex : 238U/206Pb, 235U/207Pb, 232Th/208Pb



Le nombre de désintégrations par unité de temps est proportionnel au nombre d’atome radioactif à l’instant t.

Où dN/dt est le taux (vitesse) de désintégration, est la constante de désintégration, et N est le nombre d’atomes radioactifs restant à l’instant t.

La constante de désintégration, , est indépendante des conditions de pression et de température.

Ndt

dN



Par intégration, on obtient

où N0 est le nombre d’atomes radioactifs à t0 = 0

tN

N

0

ln outeNN 0



Demi-vie : Temps requis pour que la moitié d’un stock donné de radioéléments se soit désintégré.

Si t = T1/2, alors N = N0/2, de sorte que:

2/1002

TN eN 2/12

1 Te

2/12ln T693.02ln

2/1 T



U/Th210Pb

14C (beta)

2.2 Rappels – Techniques analytiques (radiochimie)


Salle blanche

Préparation des échantillons : Dissolution Séparation chimique Père/Fils

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...



Salle blanche

Préparation pour le passage au spectromètre de masse = séparation isotopique



Rb/SrSm/NdU/Pb



Spectromètre de masse Source solide = TIMS

CEREGE



2.2 Rappels – Quels radioéléments choisir?


1. Introduction







5. Conclusions

Plan


Isotope Protons Neutrons Proportion Half life

12C 6 6 99%stable

13C 6 7 1%

14C 6 8 0.0000000001% 5568 ans

Il existe 7 isotopes du carbone : 10C, 11C, 12C, 13C, 14C, 15C, 16C.

3.1 Datation radiocarbone – Principe


Désintégration du 14C avec émission beta:

Découverte de Libby 1946.



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 ).



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/).ln(A0/A) avec 1/ = T/ln2 = 8033



)ln(1

0A

At

A0 ou N0 connu

Donné par les physiciens

A ou Nmesuré

)ln(1

0N

Nt

Un cas simple



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

Mesure du 14C par:



La procédure analytique peut être divisée en 3 étapes: traitement chimique, synthèse du benzène dans une ligne sous vide, et mesure avec un compteur à scintillation liquide.

Préparation avant comptage dans un scintillateur.



Après 7 demi-vie, l’activité n’est plus vraiment mesurable. La limite inférieure est donc de l’ordre de ~35,000-45,000 ans. La limite supérieure aux environs de la Renaissance.

Autres complications:

1.Variations du 14C du fait du fractionnement physique ou chimique.

2.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

3.2 Datation radiocarbone – Complications…


Fractionnement:

Chaque isotope est animé d’un mouvement de vibration, donc d’une 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 d’une réaction chimique.

Aussi des fractionnements isotopiques se produisent-ils au cours:- De réactions d’échanges isotopiques- De processus physico-chimiques d’ordre cinétique comme la diffusion- De changements d’état (absorption-désorption, évaporation-condensation et fusion-cristallisation).

La photosynthèse des plantes privilégie le 12C aux dépends du 13C et du 14C .

Attention donc…



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.



Correction des dates radiocarbone

Plusieurs types de matériaux, datables par la méthode du radiocarbone, peuvent aussi être datés, indépendamment, parfois à l’année 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. l’U/Th sur du calcaire (stalagmites, concrétions)

Ce qui permet de convertir l’échelle de temps 14C en temps solaires (« calendrier »).

Le résultat, une table de conversion, est généralement exprimé sous forme d’une courbe de calibration.

Une telle courbe permet de calibrer, pour le moment, l’ensemble des dates 14C de l’Holocène et celles des derniers siècles du Pléistocène avec une précision de 20 ans.

3.3 Datation radiocarbone – Corrections


Dendrochronologie

Comptage de varves



Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.9 Bronk Ramsey (2003); cub r:4 sd:12 prob usp[chron]

4000CalBC 2000CalBC CalBC/CalAD 2000CalAD

Calibrated date

0BP

1000BP

2000BP

3000BP

4000BP

5000BP

6000BP

7000BP

8000BPR

adio

carb

on d

eter

min

atio

n



Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]

400CalBC 200CalBC CalBC/CalAD 200CalAD

Calibrated date

1800BP

1900BP

2000BP

2100BP

2200BP

2300BP

2400BP

Rad

ioca

rbon

det

erm

inat

ion

A : 2100±40BP 68.2% probability 180BC (68.2%) 50BC 95.4% probability 350BC ( 3.2%) 310BC 210BC (92.2%) AD



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 d’obtenir 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/.

Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.9 Bronk Ramsey (2003); cub r:4 sd:12 prob usp[chron]

1400CalBC 1200CalBC 1000CalBC 800CalBC 600CalBC 400CalBC

Calibrated date

2200BP

2400BP

2600BP

2800BP

3000BP

3200BP

3400BP

Rad

ioca

rbon

det

erm

inat

ion


http://www.rlaha.ox.ac.uk/orau/oxcal.html

http://radiocarbon.pa.qub.ac.uk/calib/


L’âge 14C conventionnel [Stuiver & Pollach (1977)] implique : - une demi-vie (valeur de Libby) de 5568±30 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, 2510±50 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 5000±100 BP indique une probabilité

de 68% que l'âge radiocarbone se situe entre 4900 et 5100 ans BPde 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

CO

NV

EN

TIO

NS



Un exemple de rapport d’analyse



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.

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

3.4 Datation radiocarbone – Bouleversements anthropiques

http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/co2/cent.htm

http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/co2/cent.htm


3.6 Datation radiocarbone – Un exemple


1. Introduction







5. Conclusions

Plan


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?

D0N mesuré

D mesuré

4.1 Le couple Rb/Sr - Principe

Un cas plus compliqué (Rb/Sr)


Croissance d’isotopes stables radiogéniques

Si la désintégration d’un isotope père radioactif donne un isotope stable radiogénique on peut écrire:

D* est le nombre d’isotopes radiogéniques.

NND 0*

teNN 0

teND 10*

1 père donne un fils



Courbe de désintégration d’un isotope père radioactif et courbe de croissance de son fils stable.

Décroissance des pères teNN 0

teND 10*

Courbe de croissance des fils



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 d’isotopes fils, D0 est le nombre d’isotopes fils présents au moment de la formation de la roche, et D* est le nombre d’isotopes fils produits par désintégration de l’isotope père.

)1(0 teNDD

)1(* teND

D0???



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

Isochrone

4.2 Le couple Rb/Sr – L’isochrone


186

87

0

86

87

86

87

t

tt

eSr

Rb

Sr

Sr

Sr

Sr



87Rb/86Sr

87S

r/86

Sr

t = 0

t = t2

t = t1

M1 R2M2R1

M1

R2

M2

R1

Diagramme schématique montrant comment l’isochrone 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.



Datation du volcanisme lunaire

APOLLO 15Borg et al.

T = 3.4 +/- 0.1 Ga87Sr/86Sr initial = 0.6993



• 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 T°< T° de fermeture

Remise à zéro de l'horloge quand minéral atteint une T°> T° de fermeture

Age mesuré = âge de fermeture du système

4.3 Le couple Rb/Sr – La température de fermeture


Ni perte ni gain d’isotopes radioactifs ou radiogéniques dans le minéral

Comportement en système clos

Magma

T°>T°f

Magma

T°=T°f

Cristal

Début Horloge

T°<T°f

Fonctionnement HorlogeDécroissance radioactive

4.3 Le couple Rb/Sr – La température de fermeture


Une augmentation en T° de 100-200°C (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.

4.4 Le couple Rb/Sr – Datation du métamorphisme


4.4 Le couple Rb/Sr – Datation du métamorphisme


1. Introduction







5. Conclusions

Plan


Conditions requises en géochronologie

1) N et D ont évolué par le seul résultat de la désintégration. Le système est resté chimiquement clos (pas de pertes, ni de gains d’isotopes pères ou d’isotopes fils, excepté par désintégration).

2) La constante de désintégration est précisément connue.

3) L’isochrone ne correspond pas à une droite de mélange.

4) Les données analytiques sont suffisamment précises.

5. Conclusions

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