Licence 3 Gochronologie et gochimie 1 Plan 1

Licence 3 Géochronologie et géochimie 1

Plan 1. La méthode Sm-Nd Principe Les terres rares L’âge isochrone L’âge 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 Géochronologie et géochimie 2

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 3

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: 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, 54 10 -12 ans-1 T 1/2 = 106 Ga Evidemment : datation de roches très vieilles (>1 Ga si possible)… Géochronologie et géochimie 4

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

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 6

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 7

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 8

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 9

2. Rappels – Méthode isochrone Rb/Sr Datation du volcanisme lunaire T = 3. 4 +/- 0. 1 Ga APOLLO 15 Borg et al. 87 Sr/86 Sr initial = 0. 6993 143 Nd/144 Nd initial = +1. 2 +/- 1 Géochronologie et géochimie 10

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

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

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

3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle Le modèle CHUR suppose que le manteau de la Terre primitive avait la même composition isotopique 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 14

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 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. Géochronologie et géochimie 15

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 (143 Nd/144 Nd)i Géochronologie et géochimie 16

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

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 actuel du CHUR: 0, 512636 à 0, 512643 Rapport du CHUR à i Géochronologie et géochimie Rapport actuel du CHUR: 0, 1967 18

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 actuel de l’éch. (mesuré) Rapport initial de l’éch. (le même que le CHUR) Géochronologie et géochimie Rapport de l’éch. (mesuré) 19

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

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 21

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 22

3. La méthode Sm/Nd – La notation e 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. Géochronologie et géochimie 23

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

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

3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr Rapports isotopiques 87 Sr/86 Sr et 143 Nd/144 Nd RESIDUS FP 0. 512638 CHOND. LIQUIDES 0. 70475 Géochronologie et géochimie 87 Sr/86 Sr 26

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

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 28

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

1. Principe Les périodes de demi-vie 238 U series 232 Th series 235 U series 238 U 4. 47 x 109 yr 232 Th 1. 40 x 1010 yr 235 U 7. 04 x 108 yr 234 Th 24. 1 day 228 Ra 5. 75 yr 231 Th 25. 5 day 234 Pa 1. 18 min 228 Ac 6. 13 hr 231 Pa 3. 25 x 104 yr 234 U 2. 48 x 105 yr 228 Th 1. 91 yr 227 Ac 21. 8 yr 230 Th 7. 52 x 104 yr 224 Ra 3. 66 day 227 Th 18. 7 day 226 Ra 1. 62 x 103 yr 220 Rn 55. 6 sec 223 Ra 11. 4 day 222 Rn 3. 82 day 216 Po 0. 15 sec 219 Rn 3. 96 sec 218 Po 3. 05 min 212 Pb 10. 6 hr 215 Po 1. 78 x 10 -3 sec 214 Pb 26. 8 min 212 Bi 60. 6 min 211 Pb 36. 1 min 214 Bi 19. 7 min 212 Po 3. 0 x 10 -7 sec 211 Bi 2. 15 min 214 Po 1. 64 x 10 -4 sec 208 Pb stable 207 Tl 4. 77 min 210 Pb 22. 3 yr 207 Pb stable 210 Bi 5. 01 day 210 Po 138 day 206 Pb stable Séries de désintégration de 238 U, 232 Th et 235 U, avec les demi-vies 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. , 238 U donne 206 Pb, 235 U donne 207 Pb et 232 Th donne 208 Pb. Géochronologie et géochimie 30

1. Principe Géochronologie et géochimie 31

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: 206 Pb/204 Pb = 9, 307 0, 006 207 Pb/204 Pb = 10, 294 0, 006 208 Pb/204 Pb = 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 32

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

2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb Le 204 Pb n’est pas radiogénique et il est stable. Nous pouvons alors écrire: D 0 N mesuré D mesuré Géochronologie et géochimie 34

2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb 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 s’est comporté en système clos pour chacun des isotopes que le chronomètre utilise. SYNCHRONISME ET COGENETISME! Géochronologie et géochimie 35

2. Ages isochrones Th/Pb et U/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 36

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

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

2. Ages isochrones Th/Pb et U/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 (U 4+ insoluble en profondeur puis par oxydation uranyle UO 2++ plus soluble en surface). 2. Pour le couple 232 Th-208 Pb, par l’obtention difficile de valeurs précises en 232 Th. Géochronologie et géochimie 39

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

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

2. Ages isochrones Pb/Pb Géochronologie et géochimie 42

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

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

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

3. La concordia Le zircon Zircon Pseudo octaèdrique Cristaux prismatiques allongés de zircon Le zircon (Zr. Si. O 4) est souvent utilisé. 1. ll est commun. 2. Il permet la substitution de l’U et du Th au Zr: r. Zr 4+ = 0. 80 Å; r. U 4+ = 0. 97 Å; r. Th 4+ = 1. 08 Å 3. A la formation initiale, il n’y a pas de Pb: r. Pb 2+ = 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). Géochronologie et géochimie 46

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

3. La concordia Diagramme Concordia : combinaison de 2 chronomètres Choix : Minéral sans Pb initial (souvent zircon) = R 8 l) enta d Pas la ans ure nat érim (exp = R 8 Courbe = lieu où les deux méthodes donnent le même âge ias ord lieu isc es d d = R 5 Si les points sont concordants : même âge concordants Géochronologie et géochimie 48

3. La concordia Age concordant l) = R 8 enta Pa ns s da la n re atu érim (exp Ech. concordants s rdia lieu de sco s di = R 5 Géochronologie et géochimie 49

3. La concordia Problèmes: 1. Le Pb ne s’ajuste 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. Géochronologie et géochimie 50

3. La concordia 1 er cas: PERTE EN Pb CONTINUE jusqu’à aujourd’hui Intercept Sup = AGE la e éd rte e p sit n e t In Intercept Inf = Actuel (0 Ma) Si les points sont discordants : DISCORDIA Géochronologie et géochimie 51

3. La concordia 2 eme cas: PERTE EN Pb INSTANTANEE T°C>T°fermeture Intercept Sup = AGE première fermeture Intercept Inf = Age de la perte : T 1 Attention : Pas de perte en Pb continue depuis T 1 !!! Géochronologie et géochimie 52

3. La concordia EN RESUME 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. L’intercept supérieur peut représenter l’âge de la formation de la roche, tandis que l’intercept inférieur peut représenter le moment de la perte en Pb si elle est ponctuelle et non continue. Géochronologie et géochimie 53

3. La concordia Comment limiter la discordance? ? ? Géochronologie et géochimie Photo: M. Poujol, 2004 54

3. La concordia Effet de l’abrasion et de la séparation magnétique sur la concordance des zircons Géochronologie et géochimie 55

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

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

4. La datation ponctuelle Exemple: Les plus vieux minéraux terrestres Ouest Australie T = 4. 4 Ga +/- 4 Ma Wilde et al. , 2001 Géochronologie et géochimie 58

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