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Notions de géochronologie1 Licence 2 STE. Notions de géochronologie2 1.Introduction 2.Rappels et approfondissements La loi de la radioactivité Les techniques.

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1 Notions de géochronologie1 Licence 2 STE

2 Notions de géochronologie2 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 Plan

3 Notions de géochronologie3 Origine de l'Homme Homme de Toumaï (Nature, 2002) - Tchad Plus vieil hominidé Age Flore : 7 Ma Homme de Dmanissi (CRAS - Paleoev., 2002) - Géorgie Plus vieil hominidé européen Age Ar-Ar : 1.8 Ma Date de sortie d'Afrique ? Schéma des migrations ? Migrations Extinctions... Homme moderne Homo sapiens 1. Introduction – Pourquoi dater?

4 Notions de géochronologie4 Age du système solaire Age donné par les météorites les plus primitives du système solaire : CHONDRITES T = 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 1. Introduction – Pourquoi dater?

5 Notions de géochronologie5 Age et évolution des continents 1. Introduction – Pourquoi dater?

6 Notions de géochronologie6 Naissance des continents 1. Introduction – Pourquoi dater?

7 Notions de géochronologie7 Naissance et évolution des océans 1. Introduction – Pourquoi dater?

8 Notions de géochronologie8 Datation des phases orogéniques Massif Central : magmatisme Hercynien Datation du Plutonisme Détail Carte au 1/ Introduction – Pourquoi dater?

9 Notions de géochronologie9 Grandes questions de l'évolution de la vie (crises) Etablissement du temps absolu pour l'échelle géologique Echelle des temps géologiques Evolution de la vie 1. Introduction – Pourquoi dater?

10 Notions de géochronologie10 Les Radioéléments naturels et induits Elément radioactif intégré dans les minéraux de la roche depuis la cristallisation à partir du magma (qui contenait aussi ces éléments chimiques) Elément radioactif formé en haute atmosphère et à la surface terrestre par l'effet du rayonnement cosmique 1. Introduction – les radioéléments

11 Notions de géochronologie11 Les Radioéléments naturels en Géosciences Intégration des éléments radioactifs dans les systèmes cristallins Quartz MINERAL - CRISTAL Structure atomique atomes Eléments radioactifs en "impuretés" dans les systèmes cristallins (substitution) ou en éléments majeurs Atomes radioactifs 1. Introduction

12 Notions de géochronologie12 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

13 Notions de géochronologie13 1.Introduction 2.Rappels et approfondissements La loi de la radioactivité Les techniques analytiques 3.Datation radiocarbone Principe Complications… Corrections Bouleversements anthropiques Recommandations Un exemple 4.La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5.Conclusions Plan

14 Notions de géochronologie14 Il existe 3 modes de filiation Les différents modes de décroissance radioactive Atome radioactif atome radiogénique. Atome radioactif = atome Père Atome radiogénique = atome Fils 2.1 Rappels – La loi de la radioactivité

15 Notions de géochronologie15 Mode 1 P* F stable Ex : Rb/Sr, Sm/Nd, 14 C, 2.1 Rappels – La loi de la radioactivité

16 Notions de géochronologie16 Mode 2 P* F1 stable F2 stable Ex : K/Ar 2.1 Rappels – La loi de la radioactivité

17 Notions de géochronologie17 Mode 3 : la chaîne de désintégration P* F 1 * F 2 * …F n * … F stable Les équations se compliquent.... Mais cela reste assez simple Ex : 238 U/ 206 Pb, 235 U/ 207 Pb, 232 Th/ 208 Pb 2.1 Rappels – La loi de la radioactivité

18 Notions de géochronologie18 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. 2.1 Rappels – La loi de la radioactivité

19 Notions de géochronologie19 Par intégration, on obtient où N 0 est le nombre datomes radioactifs à t 0 = 0 ou 2.1 Rappels – La loi de la radioactivité

20 Notions de géochronologie20 Demi-vie : Temps requis pour que la moitié dun stock donné de radioéléments se soit désintégré. Si t = T 1/2, alors N = N 0 /2, de sorte que: 2.1 Rappels – La loi de la radioactivité

21 Notions de géochronologie Rappels – La loi de la radioactivité

22 Notions de géochronologie22 U/Th 210 Pb 14 C (beta) 2.2 Rappels – Techniques analytiques (radiochimie)

23 Notions de géochronologie23 Salle blanche Préparation des échantillons : Dissolution Séparation chimique Père/Fils 2.2 Rappels – Techniques analytiques (spectrométrie de masse)

24 Notions de géochronologie24 Salle blanche Séparation chimique Père / Fils Obtention d'une solution pure en Rb ou Sr, ou Sm, ou Nd Rappels – Techniques analytiques (spectrométrie de masse)

25 Notions de géochronologie25 Salle blanche Préparation pour le passage au spectromètre de masse = séparation isotopique 2.2 Rappels – Techniques analytiques (spectrométrie de masse)

26 Notions de géochronologie26 Rb/Sr Sm/Nd U/Pb 2.2 Rappels – Techniques analytiques (spectrométrie de masse)

27 Notions de géochronologie27 Spectromètre de masse Source solide = TIMS CEREGE 2.2 Rappels – Techniques analytiques (spectrométrie de masse)

28 Notions de géochronologie Rappels – Quels radioéléments choisir?

29 Notions de géochronologie29 1.Introduction 2.Rappels et approfondissements La loi de la radioactivité Les techniques analytiques 3.Datation radiocarbone Principe Complications… Corrections Bouleversements anthropiques Recommandations Un exemple 4.La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5.Conclusions Plan

30 Notions de géochronologie30 IsotopeProtonsNeutronsProportionHalf life 12 C6699% stable 13 C671% 14 C %5568 ans Il existe 7 isotopes du carbone : 10 C, 11 C, 12 C, 13 C, 14 C, 15 C, 16 C. 3.1 Datation radiocarbone – Principe

31 Notions de géochronologie31 Désintégration du 14 C avec émission beta: Découverte de Libby Datation radiocarbone – Principe

32 Notions de géochronologie32 Activité initiale A 0 Le 14 C 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 14 C pour qu'un détecteur enregistre 13.6 désintégrations par minute et par gramme de carbone ( dpm/g ). 3.1 Datation radiocarbone – Principe

33 Notions de géochronologie33 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 t = (1/ ).ln(A 0 /A) avec 1/ = T/ln2 = Datation radiocarbone – Principe

34 Notions de géochronologie34 A 0 ou N 0 connu Donné par les physiciens A ou N mesuré Un cas simple 3.1 Datation radiocarbone – Principe

35 Notions de géochronologie35 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 jours1 heure Mesure du 14 C par: 3.1 Datation radiocarbone – Principe

36 Notions de géochronologie36 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. 3.1 Datation radiocarbone – Principe

37 Notions de géochronologie37 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: 1.Variations du 14 C du fait du fractionnement physique ou chimique. 2.Variations dans les taux de production du 14 C - 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…

38 Notions de géochronologie38 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 12 C aux dépends du 13 C et du 14 C. Attention donc… 3.2 Datation radiocarbone – Complications…

39 Notions de géochronologie39 La plus grande partie des variations à long terme de 14 C 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 14 C. 3.2 Datation radiocarbone – Complications…

40 Notions de géochronologie40 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 14 C 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 14 C de lHolocène et celles des derniers siècles du Pléistocène avec une précision de 20 ans. 3.3 Datation radiocarbone – Corrections

41 Notions de géochronologie41 Dendrochronologie Comptage de varves 3.3 Datation radiocarbone – Corrections

42 Notions de géochronologie Datation radiocarbone – Corrections

43 Notions de géochronologie Datation radiocarbone – Corrections

44 Notions de géochronologie Datation radiocarbone – Corrections

45 Notions de géochronologie45 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 : Autre programme (PC et Mac), moins intuitif mais reconnu comme la référence en la matière : 3.3 Datation radiocarbone – Corrections

46 Notions de géochronologie46 Lâge 14 C conventionnel [Stuiver & Pollach (1977)] implique : - une demi-vie (valeur de Libby) de 5568±30 ans, - une normalisation du d 13 C à -25 pour mille et - 0 BP pour le 1. janvier Sigles : dans la revue « Radiocarbon » : 1. Les âges radiocarbone sont suivis du sigle BP par exemple, 2510±50 BP est une date 14 C. 2. Les âges calibrés sont désignés par cal. par exemple : cal. A.D ou 3720 cal. B.C. Les dates 14 C 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 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 3.3 Datation radiocarbone – Corrections

47 Notions de géochronologie47 Un exemple de rapport danalyse 3.3 Datation radiocarbone – Corrections

48 Notions de géochronologie48 Development of 14 C in atmospheric CO 2 in the Northern Hemisphere in the last 50 years. Data before 1959 have been derived from tree rings (Stuiver and Quay, EPSL 53, , 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. Vermunt Schauinsland station Effet Suess: dilution du 14 C atmosphérique par combustion de pétrole et de charbon depuis l'ère industrielle. Déficit de 2% en A partir de 1955, création de 14 C artificiel par les explosions nucléaires. En , +100% de 14 C 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

49 Notions de géochronologie Datation radiocarbone – Un exemple

50 Notions de géochronologie Datation radiocarbone – Un exemple

51 Notions de géochronologie Datation radiocarbone – Un exemple

52 Notions de géochronologie52 1.Introduction 2.Rappels et approfondissements La loi de la radioactivité Les techniques analytiques 3.Datation radiocarbone Principe Complications… Corrections Bouleversements anthropiques Recommandations Un exemple 4.La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5.Conclusions Plan

53 Notions de géochronologie53 Pour dater une roche, on doit donc connaître D, D 0, N et. D et N sont mesurés est constant, connu des physiciens Comment déterminer D 0 ? D0D0 N mesuré D mesuré 4.1 Le couple Rb/Sr - Principe Un cas plus compliqué (Rb/Sr)

54 Notions de géochronologie54 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 4.1 Le couple Rb/Sr - Principe

55 Notions de géochronologie55 Courbe de désintégration dun isotope père radioactif et courbe de croissance de son fils stable. Décroissance des pères Courbe de croissance des fils 4.1 Le couple Rb/Sr - Principe

56 Notions de géochronologie56 Equation géochronométrique: Plus utile que la précédente car on ne connaît pas toujours N 0 dans une roche, mais on peut déterminer N. Problème: on ne mesure pas les fils radiogéniques mais les fils totaux: D = D 0 + D * où D est le nombre total disotopes fils, D 0 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. )1( * t eND D 0 ??? 4.1 Le couple Rb/Sr - Principe

57 Notions de géochronologie57 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 – Lisochrone

58 Notions de géochronologie Le couple Rb/Sr – Lisochrone

59 Notions de géochronologie59 Diagramme schématique montrant comment lisochrone Rb-Sr évolue en fonction du temps. M 1 et M 2 sont des minéraux cogénétiques et R 1 et R 2 sont des roches cogénétiques, tous avec des rapports Rb/Sr différents. 4.2 Le couple Rb/Sr – Lisochrone

60 Notions de géochronologie60 Datation du volcanisme lunaire APOLLO 15 Borg et al. T = 3.4 +/- 0.1 Ga 87Sr/86Sr initial = Le couple Rb/Sr – Lisochrone

61 Notions de géochronologie61 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

62 Notions de géochronologie62 Ni perte ni gain disotopes radioactifs ou radiogéniques dans le minéral Comportement en système clos Magma T°>T°f Magma T°=T°f Cristal Début Horloge T°

63 Notions de géochronologie63 Une augmentation en T° de °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 Si 3 AlO 10 (OH,F) 2 ]) riche en 87 Rb et donc en 87 Sr radiogénique, alors que l'apatite (Ca 5 (PO4) 3 (OH, F, Cl)) est plus pauvre en Sr. Migration du 87 Sr* 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

64 Notions de géochronologie Le couple Rb/Sr – Datation du métamorphisme

65 Notions de géochronologie65 1.Introduction 2.Rappels et approfondissements La loi de la radioactivité Les techniques analytiques 3.Datation radiocarbone Principe Complications… Corrections Bouleversements anthropiques Recommandations Un exemple 4.La méthode Rb/Sr Principe Lisochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5.Conclusions Plan

66 Notions de géochronologie66 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 disotopes pères ou disotopes fils, excepté par désintégration). 2)La constante de désintégration est précisément connue. 3) Lisochrone ne correspond pas à une droite de mélange. 4) Les données analytiques sont suffisamment précises. 5. Conclusions


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