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Géochronologie et géochimie1 Licence 2. Géochronologie et géochimie2 1.La méthode Sm-Nd Principe Les terres rares Lâge isochrone Lâge modèle La notation.

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1 Géochronologie et géochimie1 Licence 2

2 Géochronologie et géochimie2 1.La méthode Sm-Nd Principe Les terres rares Lâge isochrone Lâge modèle La notation Couplage avec le Rb – Sr 2.La méthode U/Pb Principe Ages isochrones Th-Pb et U-Pb Isochrone Pb-Pb. La concordia Datation ponctuelle Quelques exemples Plan

3 Géochronologie et géochimie3 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. 3. La méthode Sm/Nd

4 Géochronologie et géochimie4 Le samarium et le néodyme appartiennent au groupe des « Terres Rares (REE)» ou lanthanides. Ils possèdent chacun plusieurs isotopes: Sm: 144 Sm, 147 Sm, 148 Sm, 149 Sm, 150 Sm, 152 Sm, 154 Sm. Nd: 142 Nd, 143 Nd, 144 Nd, 145 Nd, 146 Nd, 148 Nd, 150 Nd. Le 147 Sm est radioactif et se désintègre en 143 Nd stable suivant: = 6, ans -1 T 1/2 = 106 Ga Evidemment : datation de roches très vieilles (>1Ga si possible)… 3. La méthode Sm/Nd

5 Géochronologie et géochimie5 SymboleElement La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhéum Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutécium 3. La méthode Sm/Nd – Les terres rares

6 Géochronologie et géochimie6 REE Réparties dans toutes les roches en tant quéléments traces Substitutions aux ions majeurs (Al, Ca, etc…). Eléments peu solubles dans les eaux (dans leau de mer Nd < ppm). Elles diffusent très peu à létat solide. Relative insensibilité du couple Sm – Nd aux influences thermiques, mais à léchelle 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. 3. La méthode Sm/Nd – Les terres rares

7 Géochronologie et géochimie7 Comme pour le système Rb-Sr on peut définir une droite dont la pente fournit lâge: Isochrones possibles sur roches totales. Isochrones possibles sur minéraux. 3. La méthode Sm/Nd – La méthode isochrone

8 Géochronologie et géochimie8 Isochrones sur roches totales: Avantages: caractères réfractaire, insolubilité et dune 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 léchelle 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 dun groupe de roches totales. On prend des échantillons de compositions assez différentes (acides et basiques) et la condition de cogénétisme nest peut être pas remplie…. 3. La méthode Sm/Nd – La méthode isochrone

9 Géochronologie et géochimie9 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 dor au Zimbabwe. 3. La méthode Sm/Nd – La méthode isochrone

10 Géochronologie et géochimie10 Datation du volcanisme lunaire APOLLO 15 Borg et al. T = 3.4 +/- 0.1 Ga 87Sr/86Sr initial = Nd/144Nd initial = / Rappels – Méthode isochrone Rb/Sr

11 Géochronologie et géochimie11 MODELE CHONDRITIQUE Matériel le plus primitif du SS : = REFERENCE PRIMAIRE 3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique

12 Géochronologie et géochimie12 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 dun facteur 3 dans les systèmes géologiques). n° atomique pair plus abondant que les n° atomiques impairs qui les encadrent HREE LREE 3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique

13 Géochronologie et géochimie13 Normalisation aux chondrites (spectres de REE) Grandes familles Courbes plus lisses 3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique

14 Géochronologie et géochimie14 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 dun réservoir chimique (le manteau?) de nature chondritique! 3. La méthode Sm/Nd – Lage modèle

15 Géochronologie et géochimie15 Le Nd est légèrement plus compatible dans la croûte que le Sm. Bien que la différence soit faible, le rapport 143 Nd/ 144 Nd augmente plus vite dans le manteau que dans la croûte. En conséquence les roches dérivant du manteau ont des rapports ( 143 Nd/ 144 Nd) Actuel plus grands que les roches crustales. 3. La méthode Sm/Nd – Lage modèle

16 Géochronologie et géochimie16 Age modèle: âge ICE (Intercept with Chondritic Evolution) ou âge CHUR (Chondritic Unform Reservoir). Une mesure du temps écoulé à partir du moment auquel léchantillon a été séparé du manteau dont il dérive. Les ages modèles sont utiles car ils peuvent être calculés pour une roche à partir dune simple mesure des compositions isotopiques en Sm-Nd. Ce modèle repose sur une hypothèse concernant la composition isotopique dune région source du manteau dont léchantillon est originaire. Hypothèse sur le rapport ( 143 Nd/ 144 Nd) i 3. La méthode Sm/Nd – Lage modèle

17 Géochronologie et géochimie17 3. La méthode Sm/Nd – Lage modèle

18 Géochronologie et géochimie18 Au moment de la genèse dun échantillon, la composition isotopique initiale est identique à celle du CHUR. On a donc: Rapport actuel du CHUR: 0, à 0, Rapport du CHUR à iRapport actuel du CHUR: 0,1967 Equation de la droite dévolution chondritique 3. La méthode Sm/Nd – Lage modèle

19 Géochronologie et géochimie19 Quant à léchantillon, il évolue suivant: Rapport actuel de léch. (mesuré) Rapport initial de léch. (le même que le CHUR) Rapport de léch. (mesuré) Equation de la droite dévolution de léchantillon 3. La méthode Sm/Nd – Lage modèle

20 Géochronologie et géochimie20 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. 3. La méthode Sm/Nd – Lage modèle En combinant les deux…

21 Géochronologie et géochimie21 Signification de lâge modèle Roches basiques: Les âges modèles peuvent être significatifs quant à lâge 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 dautres méthodes). Attention! Ces ages modèles ne tiennent pas compte des hétérogénéités du manteau. Le manteau terrestre en totalité na sans doute pas évolué avec un rapport Sm/Nd chondritique. Attention donc aux interprétations! 3. La méthode Sm/Nd – Lage modèle

22 Géochronologie et géochimie22 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) 3. La méthode Sm/Nd – La notation

23 Géochronologie et géochimie23 Le manteau présente des rapports 147 Sm/ 144 Nd supérieurs à ceux du CHUR, de sorte que le manteau a évolué avec des rapports 143 Nd/ 144 Nd supérieurs à ceux du CHUR au cours du temps. Nd,CHUR > 0 pour le manteau. La croûte a évoluée avec des rapports 143 Nd/ 144 Nd inférieurs à ceux du CHUR au cours du temps Nd,CHUR < 0 dans la croûte. 3. La méthode Sm/Nd – La notation

24 Géochronologie et géochimie24 Comportements opposés des deux couples 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr Rapports isotopiques du Sr : 87 Sr/ 86 Sr riSr>CHOND riSr

25 Géochronologie et géochimie25 Rapports isotopiques du Nd : 143 Nd/ 144 Nd riNdCHOND 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr

26 Géochronologie et géochimie26 Rapports isotopiques 87 Sr/ 86 Sr et 143 Nd/ 144 Nd 143 Nd/ 144 Nd 87 Sr/ 86 Sr CHOND RESIDUS FP LIQUIDES 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr

27 Géochronologie et géochimie27 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) CHONDRITES Ci Sr et Nd MORB & OIB et crôute cont. 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr

28 Géochronologie et géochimie28 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 Plan

29 Géochronologie et géochimie29 Chaînes de désintégration Pb -207 STABLE 1. Principe

30 Géochronologie et géochimie U series 232 Th series 235 U series 238 U4.47x10 9 yr 232 Th1.40x10 10 yr 235 U7.04x10 8 yr 234 Th24.1 day 228 Ra5.75 yr 231 Th25.5 day 234 Pa1.18 min 228 Ac6.13 hr 231 Pa3.25x10 4 yr 234 U2.48x10 5 yr 228 Th1.91 yr 227 Ac21.8 yr 230 Th7.52x10 4 yr 224 Ra3.66 day 227 Th18.7 day 226 Ra1.62x10 3 yr 220 Rn55.6 sec 223 Ra11.4 day 222 Rn3.82 day 216 Po0.15 sec 219 Rn3.96 sec 218 Po3.05 min 212 Pb10.6 hr 215 Po1.78x10 -3 sec 214 Pb26.8 min 212 Bi60.6 min 211 Pb36.1 min 214 Bi19.7 min 212 Po3.0x10 -7 sec 211 Bi2.15 min 214 Po1.64x10 -4 sec 208 Pbstable 207 Tl4.77 min 210 Pb22.3 yr 207 Pbstable 210 Bi5.01 day 210 Po138 day 206 Pbstable Séries de désintégration de 238 U, 232 Th et 235 U, avec les demi-vies des différents isotopes. Notez quil ny 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., 238 U donne 206 Pb, 235 U donne 207 Pb et 232 Th donne 208 Pb. 1. Principe Les périodes de demi-vie

31 Géochronologie et géochimie31 1. Principe

32 Géochronologie et géochimie32 Ces chronomètres sont probablement les plus précis que lon puisse mettre en œuvre sur des échantillons dâge géologique raisonnablement vieux (>30 Ma) La composition isotopique du Pb primordial (Tatsumoto et al., 1973), déterminée à partir de la météorite « Canyon Diablo », est égale à: 206 Pb/ 204 Pb = 9,307 0, Pb/ 204 Pb = 10,294 0, Pb/ 204 Pb = 29,476 0, Principe – couples U/Pb et Th/Pb

33 Géochronologie et géochimie33 La stratégie de datation se fera en fonction du type de minéral CONCORDIADatation Pb-Pb ISOCHRONES U/Pb & Th/Pb 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb

34 Géochronologie et géochimie34 Le 204 Pb nest pas radiogénique et il est stable. Nous pouvons alors écrire: D0D0 N mesuré D mesuré 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb

35 Géochronologie et géochimie35 Avec comme toujours les conditions suivantes: 1.Les échantillons sont de même âge; 2.La composition isotopique du plomb de chaque échantillon au temps de sa formation est identique; 3.Chaque échantillon sest comporté en système clos pour chacun des isotopes que le chronomètre utilise. SYNCHRONISME ET COGENETISME! 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb

36 Géochronologie et géochimie36 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 ny a eu ni perte ni gain de U, Th ou Pb après que la roche se soit formée. Ces âges sont alors dits concordants. 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb

37 Géochronologie et géochimie37 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). 232 Th/ 204 Pb 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb

38 Géochronologie et géochimie38 Mais attention… 238 U/ 204 Pb 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb

39 Géochronologie et géochimie39 Lutilisation de cette méthode est limitée: 1. Pour le système U-Pb, la condition du système clos nest respectée quexceptionnellement. Laltération récente en subsurface évacue très facilement luranium (U 4+ insoluble en profondeur puis par oxydation uranyle UO 2 ++ plus soluble en surface). 2. Pour le couple 232 Th- 208 Pb, par lobtention difficile de valeurs précises en 232 Th. 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb

40 Géochronologie et géochimie40 La stratégie de datation se fera en fonction du type de minéral CONCORDIADatation Pb-Pb ISOCHRONES U/Pb & Th/Pb 2. Ages isochrones Pb/Pb

41 Géochronologie et géochimie41 pente 2. Ages isochrones Pb/Pb

42 Géochronologie et géochimie42 2. Ages isochrones Pb/Pb

43 Géochronologie et géochimie43 Datation Pb-Pb : diagramme 207 Pb/ 204 Pb vs 206 Pb/ 204 Pb Utilisée uniquement sur Fds et Galènes : CI Pb fixe en fonction du temps µ=238U/204Pb 2. Ages isochrones Pb/Pb

44 Géochronologie et géochimie44 Galènes (PbS): pas dU, composition isotopique gelée à la formation du gisement. 2. Ages isochrones Pb/Pb

45 Géochronologie et géochimie45 La stratégie de datation se fera en fonction du type de minéral CONCORDIADatation Pb-Pb ISOCHRONES U/Pb & Th/Pb 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb

46 Géochronologie et géochimie46 Zircon Pseudo octaèdrique Cristaux prismatiques allongés de zircon Le zircon (ZrSiO 4 ) est souvent utilisé. 1. ll est commun. 2. Il permet la substitution de lU et du Th au Zr: rZr4+ = 0.80 Å; rU4+ = 0.97 Å; rTh4+ = 1.08 Å 3. A la formation initiale, il ny a pas de Pb: rPb2+ = 1.26 Å. 4. Avec la désintégration, le Pb radiogénique est plutôt retenu et ne peut séchapper que sous certaines conditions. 5. Il est très réfractaire (i.e., préserve linfo originale malgré métamorphisme et altération). 3. La concordia Le zircon

47 Géochronologie et géochimie47 Valeurs numériques de e 1 t - 1, e 2 t - 1, et du rapport 207 Pb/ 206 Pb radiogénique en fonction de t. Modèle corcordant 206 Pb* = 238 U(e 1t -1) 207 Pb* = 235 U(e 2t -1) 206 Pb*/ 238 U = (e 1t -1) 207 Pb* / 235 U = (e 2t -1) 3. La concordia

48 Géochronologie et géochimie48 Diagramme Concordia : combinaison de 2 chronomètres Courbe = lieu où les deux méthodes donnent le même âge = R5 = R8 concordants Si les points sont concordants : même âge = R8 = R5 Choix : Minéral sans Pb initial (souvent zircon) Pas dans la nature (expérimental) lieu des discordias 3. La concordia

49 Géochronologie et géochimie49 Age concordant = R5 = R8 Pas dans la nature (expérimental) lieu des discordias 3. La concordia Ech. concordants

50 Géochronologie et géochimie50 Problèmes: 1.Le Pb ne sajuste pas bien dans la matrice, il peut diffuser. 2.Pire encore avec la désintégration alpha… 3.Le métamorphisme exacerbe les pertes en Pb. 4.Pertes hétérogènes suivant les zircons. Petits grains plus affectés que les gros. 3. La concordia

51 Géochronologie et géochimie51 Si les points sont discordants : DISCORDIA 1er cas: PERTE EN Pb CONTINUE jusquà aujourdhui Intercept Sup = AGE Intercept Inf = Actuel (0 Ma) Intensité de la perte 3. La concordia

52 Géochronologie et géochimie52 Intercept Sup = AGE première fermeture Intercept Inf = Age de la perte : T1 Attention : Pas de perte en Pb continue depuis T1 !!! 3. La concordia 2eme cas: PERTE EN Pb INSTANTANEE T°C>T°fermeture

53 Géochronologie et géochimie53 Si il y a des pertes en Pb, le zircon se placera sous la concordia. Si il y a des pertes en U, le zircon se placera au dessus de la concordia. La droite qui résulte des échantillons discordants est appelée Discordia. Lintercept supérieur peut représenter lâge de la formation de la roche, tandis que lintercept inférieur peut représenter le moment de la perte en Pb si elle est ponctuelle et non continue. 3. La concordia EN RESUME

54 Géochronologie et géochimie54 Photo: M. Poujol, La concordia Comment limiter la discordance???

55 Géochronologie et géochimie55 Effet de labrasion et de la séparation magnétique sur la concordance des zircons 3. La concordia

56 Géochronologie et géochimie56 4. La datation ponctuelle La sonde ionique SIMS

57 Géochronologie et géochimie57 Des possibilités considérables! 4. La datation ponctuelle

58 Géochronologie et géochimie58 Exemple: Les plus vieux minéraux terrestres Ouest Australie T = 4.4 Ga +/- 4 Ma Wilde et al., La datation ponctuelle

59 Géochronologie et géochimie59 Diagramme représentant des grains de zircon dans des métasédiments à faciès granulite au Sri Lanka. 4. La datation ponctuelle


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