Master 1 Enseignement Notions de gochronologie 1 Plan

Master 1 Enseignement Notions de géochronologie 1

Plan 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 L’isochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5. Conclusions Notions de géochronologie 2

1. Introduction – Pourquoi dater? Origine de l'Homme de Toumaï (Nature, 2002) - Tchad Homme de Dmanissi (CRAS - Paleoev. , 2002) - Géorgie Homme moderne Homo sapiens Plus vieil hominidé Age Flore : 7 Ma Plus vieil hominidé européen Age Ar-Ar : 1. 8 Ma Date de sortie d'Afrique ? Schéma des migrations ? Notions de géochronologie Migrations Extinctions. . . 3

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 Notions de géochronologie 4

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

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

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

1. Introduction – Pourquoi dater? Datation des phases orogéniques Détail Carte au 1/1000000 Massif Central : magmatisme Hercynien Datation du Plutonisme Notions de géochronologie 8

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

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

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

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 Notions de géochronologie 12

Plan 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 L’isochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5. Conclusions Notions de géochronologie 13

2. 1 Rappels – La loi de la radioactivité Les différents modes de décroissance radioactive Atome radioactif atome radiogénique. Atome radioactif = atome Père Atome radiogénique = atome Fils Il existe 3 modes de filiation Notions de géochronologie 14

2. 1 Rappels – La loi de la radioactivité Mode 1 P* F stable Notions de géochronologie Ex : Rb/Sr, Sm/Nd, 14 C, 15

2. 1 Rappels – La loi de la radioactivité Mode 2 P* F 1 stable F 2 stable Notions de géochronologie Ex : K/Ar 16

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

2. 1 Rappels – La loi de la radioactivité Le nombre de désintégrations par unité de temps est proportionnel au nombre d’atome radioactif à l’instant t. Où d. N/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. Notions de géochronologie 18

2. 1 Rappels – La loi de la radioactivité Par intégration, on obtient ou où N 0 est le nombre d’atomes radioactifs à t 0 = 0 Notions de géochronologie 19

2. 1 Rappels – La loi de la radioactivité Demi-vie : Temps requis pour que la moitié d’un stock donné de radioéléments se soit désintégré. Si t = T 1/2, alors N = N 0/2, de sorte que: Notions de géochronologie 20

2. 1 Rappels – La loi de la radioactivité Notions de géochronologie 21

2. 2 Rappels – Techniques analytiques (radiochimie) U/Th 210 Pb 14 C (beta) Notions de géochronologie 22

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. . . Notions de géochronologie 23

2. 2 Rappels – Techniques analytiques (spectrométrie de masse) Rb/Sr Sm/Nd U/Pb Notions de géochronologie 24

2. 2 Rappels – Techniques analytiques (spectrométrie de masse) Spectromètre de masse Source solide = TIMS Notions de géochronologie CEREGE 25

2. 2 Rappels – Quels radioéléments choisir? Notions de géochronologie 26

Plan 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 L’isochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5. Conclusions Notions de géochronologie 27

3. 1 Datation radiocarbone – Principe Il existe 7 isotopes du carbone : 10 C, 11 C, 12 C, 13 C, 14 C, 15 C, 16 C. Isotope Protons Neutrons Proportion 12 C 6 6 99% 13 C 6 7 1% 14 C 6 8 0. 000001% Half life stable 5568 ans Notions de géochronologie 28

3. 1 Datation radiocarbone – Principe Désintégration du 14 C avec émission beta: Découverte de Libby 1946. Notions de géochronologie 29

3. 1 Datation radiocarbone – Principe 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 ). Notions de géochronologie 30

3. 1 Datation radiocarbone – Principe 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(A 0/A) avec 1/ = T/ln 2 = 8033 Notions de géochronologie 31

3. 1 Datation radiocarbone – Principe Un cas simple A 0 ou N 0 connu A ou N mesuré Donné par les physiciens Notions de géochronologie 32

3. 1 Datation radiocarbone – Principe Mesure du 14 C par: 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 Notions de géochronologie 33

3. 2 Datation radiocarbone – Complications… 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 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 Notions de géochronologie 34

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 12 C aux dépends du 13 C et du 14 C. Attention donc… Notions de géochronologie 35

3. 2 Datation radiocarbone – Complications… 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. Notions de géochronologie 36

3. 3 Datation radiocarbone – Corrections 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 14 C 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 14 C de l’Holocène et celles derniers siècles du Pléistocène avec une précision de 20 ans. Notions de géochronologie 37

3. 3 Datation radiocarbone – Corrections Dendrochronologie Comptage de varves Notions de géochronologie 38

3. 3 Datation radiocarbone – Corrections Notions de géochronologie 39

3. 3 Datation radiocarbone – Corrections Notions de géochronologie 40

3. 3 Datation radiocarbone – Corrections 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 14 C : 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/. Notions de géochronologie 41

CONVENTIONS 3. 3 Datation radiocarbone – Corrections L’âge 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 1950. 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. 1450 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 Notions de géochronologie 42

3. 3 Datation radiocarbone – Corrections Un exemple de rapport d’analyse Notions de géochronologie 43

3. 4 Datation radiocarbone – Bouleversements anthropiques Effet Suess: dilution du 14 C atmosphérique par combustion de pétrole et de charbon depuis l'ère industrielle. Déficit de 2% en 1950. A partir de 1955, création de 14 C artificiel par les explosions nucléaires. En 1962 -63, +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 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, 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. Notions de géochronologie 44

3. 6 Datation radiocarbone – Un exemple Notions de géochronologie 45

3. 6 Datation radiocarbone – Un exemple Notions de géochronologie 46

Plan 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 L’isochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5. Conclusions Notions de géochronologie 47

4. 1 Le couple Rb/Sr - Principe Un cas plus compliqué (Rb/Sr) D 0 Pour dater une roche, on doit donc connaître D, D 0, N et . N mesuré D et N sont mesurés est constant, connu des physiciens Comment déterminer D 0? Notions de géochronologie 48

4. 1 Le couple Rb/Sr - Principe Croissance d’isotopes stables radiogéniques Si la désintégration d’un isotope père radioactif donne un isotope stable radiogénique on peut écrire: 1 père donne un fils D* est le nombre d’isotopes radiogéniques. Notions de géochronologie 49

4. 1 Le couple Rb/Sr - Principe Courbe de désintégration d’un isotope père radioactif et courbe de croissance de son fils stable. Courbe de croissance des fils Décroissance des pères Notions de géochronologie 50

4. 1 Le couple Rb/Sr - Principe Equation géochronométrique: lt = D N (e - 1) * 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* D 0? ? ? où D est le nombre total d’isotopes fils, D 0 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. Notions de géochronologie 51

4. 2 Le couple Rb/Sr – L’isochrone Isochrone 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 Notions de géochronologie 52

4. 2 Le couple Rb/Sr – L’isochrone Notions de géochronologie 53

4. 2 Le couple Rb/Sr – L’isochrone Diagramme schématique montrant comment l’isochrone 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. Notions de géochronologie 54

4. 2 Le couple Rb/Sr – L’isochrone Datation du volcanisme lunaire T = 3. 4 +/- 0. 1 Ga 87 Sr/86 Sr initial = 0. 6993 APOLLO 15 Borg et al. Notions de géochronologie 55

4. 3 Le couple Rb/Sr – La température de fermeture • 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 Notions de géochronologie 56

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 T°>T°f Magma T°=T°f T°<T°f Magma Cristal Début Horloge Notions de géochronologie Fonctionnement Horloge Décroissance radioactive 57

4. 4 Le couple Rb/Sr – Datation du métamorphisme 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(Mg. Fe)3 Si 3 Al. O 10(OH, F)2]) riche en 87 Rb et donc en 87 Sr radiogénique, alors que l'apatite (Ca 5(PO 4)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. Notions de géochronologie 58

4. 4 Le couple Rb/Sr – Datation du métamorphisme Notions de géochronologie 59

Plan 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 L’isochrone La température de fermeture Datation du métamorphisme 5. Conclusions Notions de géochronologie 60

5. Conclusions 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. Notions de géochronologie 61