Stéphanie Duchene_Isochrones
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Révisons nos classiques! Forstérite, 1-4 octobre 2013 Acte I - Le casse-tête des géochronologistes constante de la désintégration Isotope père P l Isotope fils F t=0 P0 t F0 dP λP dt P P P0e F λt constante de la désintégration l dP λP dt P P0e λt Une équation, deux inconnues…. Comment faire avec le système Rb-Sr? Z 38 Strontium 88Sr 82.53% 87Sr 7.04% 86Sr 9.87% 84Sr 0.56% Rubidium 85Rb 72.1654% 87Rb 27.8346% 87Sr Radioactivité b (isobare) 87Rb 37 49 50 87Rb N 87 Rb 87Sr 87 Rb0 e lt l= 1.42 10-11 an-1 , T= 50 Ga (Norman et Huster, 1976) 87 * 87 87 Sr Sr Sr0 87 87 87 87 87 87 Sr Sr0 Sr Sr0 87 87 Quantité radiogénique 87 Rb0 Rb lt 87 Rb e Rb 87 lt Sr Sr0 Rb e 1 Mesuré Inconnu 87 Sr 86 Sr Mesuré Inconnu 87 Sr0 86 Sr0 87 e Sr Rb 86 lt 1 Une quantité d’élément fils nulle : le cas des minéraux riches en Rb Ahrens, 1949 Lepidolite, microcline, muscovite 87 lt Sr Rb e 1 Rb lt 87 87 87 Sr Rb Mesuré lt 87 e 1 lt Inconnu Inconnu Gast, 1961 Gast P.W., 1961 Un rapport initial connu? Des âges discordants Datation sur les minéraux du Baltimore Gneiss (Tilton et al., 1958). l= 1.39x10-11 yr-1 (Aldrich, Wetherill et al., 1956) ; 87Sr/86Sr0 = 0.709 Mesuré Inconnu 87 Sr 86 Sr Mesuré Inconnu 87 Sr0 86 Sr0 87 e Sr Rb 86 Une équation, deux inconnues…. lt 1 Acte II - La solution de Nicolaysen Inconnu 87 Sr 86 Sr Inconnu 87 Sr0 86 Sr0 87 e Sr Rb 86 Y = Y0+X.a lt 1 Acte II - La solution de Nicolaysen Inconnu 87 Sr 86 Sr Inconnu 87 Sr0 86 Sr0 87 e Sr Rb 86 Y = Y0+X.a lt 1 87 Sr 86 Sr 87 Sr0 86 Sr0 87 e Sr Rb 86 Y = Y0+X.a Nicolaysen (1961) lt 1 87 Sr 86 Sr 87 Sr0 86 Sr0 87 e Sr Rb 86 Y = Y0+X.a Nicolaysen (1961) lt 1 Towson 0.2 0.18 Biotite 0.16 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 Microcline 87Sr/88Sr 0.14 y = 0.0042x + 0.0845 T= 302 Ma 0.02 0 0 5 10 15 20 25 87Rb/88Sr Isochrone sur les microclines Isochrone interne Une autre interprétation pour les Baltimore Gneiss (Nicolaysen, 1961). La méthode des isochrones F Fs t • de même rapports initiaux elt 1 F Fs Différents échantillons 0 • de même âge 0 P Fs • de rapports P/Fs différents F F P Fs Fs 0 Fs e lt 1 Y = Y0+X.a Et bien sûr il ne doit pas y avoir de modification du rapport père/fils après la croissance du minéral… Les isochrones internes (sur minéraux séparés) En domaine magmatique Complexe magmatique lité du Stillwater DePaolo et Wasserburg, 1979 Age 1007±61 Ma 87Sr/86Sr init = 0.7048 Datation d’un ensemble d’orthogneiss (Baltimore Gneiss, Maryland) Isochrone sur roches totales D’après Wetherill et al., 1968 En domaine magmatique FK RT Pla Age 283±8 Ma 87Sr/86Sr init = 0.7452 Datation d’un ensemble d’orthogneiss (Baltimore Gneiss, Maryland) Isochrone sur minéraux séparés de la B20 D’après Wetherill et al., 1968 Biotite Le principe de la remise à zéro du chronomètre Hart, 1961 sur minéraux séparés t 0.515 143 144 Âge du métamorphisme: 400 Ma Grenat I 0.514 Nd Nd 0.513 Métamorphisme 0.512 CpxII t=0 Grt II Roche Totale Pyroxène I Plagioclase 0.2 0.4 147 Sm 144 0.6 Nd 0.8 Minéraux riches en Rb (système Rb-Sr) Coefficient de partage minéral/liquide 100 10 Olivine Cpx Plagio 1 FK Amph Bio 0.1 0.01 U Th Ta La Rb Cs Hf Zr Ba Eu Tb Sr Cr Co Ni Sc Minéraux riches en Sm (système Sm-Nd) et Lu (système Lu-Hf) Coefficient de partage minéral/basalte 10 1 Cpx Amphibole Plagioclase 0.1 Opx olivine Grenat 0.01 0.001 La Ce Nd Sm Eu Gd Tb Dy Er Yb Lu Les isochrones sur (sur roches totalestotales) Les isochrones internes roches Schreiner, 1958 Dickins, 1995 Roches totales du Red Granite du Bushveld (Afrique du Sud) Age TR 3200 ± 65 Myr. Isochrone Rb-Sr du Old Granite, Transvaal (Allsopp, 1961) Entracte Acte III – Le temps des controverses Les isochrones mantelliques Isochrone sur les roches volcaniques alcalines des basaltes d’îles (Sun and Henson, 1975) initial 87Rb/86Sr Pseudo-isochrones sur les granites mésozoïques de Californie (Brooks et al., 1976) mélange Fusion partielle du manteau à plagioclase mélange Mélange et fusion incongruente dans les basaltes de l’île de Mull (Beckinsale et al., 1978) série alcaline Les pseudo-isochrones et la discussion sur l’hétérogénéité du manteau Sun et Henson, 1975 Brooks et al, 1976 Les isochrones sur roches totales et le problème de l’altération Altération des gneiss charnockitiques de Norvège (Field et Raheim, 1979) Orthogneiss charnockitiques Sains Altérés : pyroxène, biotite altérés en chlorite, serpentine et actinote 0 5 km 1540 Ma Métamorphisme HT 1540 Ma 87Sr/86Sr 1060 Ma 1060 Ma Métamorphisme BT associé à l’intrusion de granites, altération Gain en Rb A NA Transfert de Sr très radiogénique par lessivage lors de l’altération de la biotite Isochrones sur roches totales dans les gneiss altérés (A) et non altérés (NA) La question des âges métamorphiques Exemple du granite éclogitisé du Monte Mucrone 129±15 Ma Isochrones Rb-Sr sur roches totales (Oberhänsli et al., 1985) Age Plagioclase Omphacite Grenat Age Epidote Phengite 114±1 Ma 85±1 Ma Isochrones internes Rb-Sr sur le gneiss éclogitique Datations U-Pb SHRIMP - Rubatto et al. (1999) Exemple des roches à UHP de Dora Maira Isochrones Sm-Nd sur grenats, Dora Maira Tilton et al., 1991 Datations U-Pb sur zircon (Paquette et al., 1989) Datations U-Pb SHRIMP sur zircon (Gebauer et al., 1997) Le problème de l’héritage isotopique Gabbro Ol, Pla, Cpx Eclogitisation totale Grt + Cpx Métagabbros de Norvège (Mork et Mearns, 1986) Eclogitisation partielle Cpx+ Grt Gabbro initial 1289 Ma Gabbro éclogitisé Pas d’isochrone Eclogite 400±16 Ma Luais et al. 2001 Le problème des inclusions Isochrone Lu-Hf sur minéraux séparés (Duchene et al., 1997) Concentrations en Nd des minéraux métamorphiques Nd (ppm) Sm/Nd Garnet 0.1 - 5 0.5 - 3 Monazite 1000-15000 0.1 Apatite 150-1700 0.1 Allanite 160-4000 0.05 Modélisation des mélanges grenat-minéraux accessoires 0.5150 0.5140 143Nd/144Nd Omphacite WR 0.5120 0.5100 0.5090 0.5080 Grenat pur Phengite 0.5130 0.5110 Age Lu-Hf 65 Ma Luais et al. (2001) Age WR/incl Données isotopiques Grenat mesuré Monazite, apatite Allanite Grenat du modèle Inclusions du modèle Sm/Nd = 0 0.0 147Sm/144Nd 0.5 1.0 1.5 Les pourcentages d’inclusions calculés faibles (< 0.05%) 2.0 Amélioration des techniques de leaching pour se débarrasser des inclusions • Broyage fin après le tri • Leaching en HNO3+HCl élimination des monazites Lixiviats 22-835 ppm Nd Grenats lixiviés 1-2 ppm Nd Zhou and Hensen (1995) Le problème des inclusions dans le système Lu-Hf Gore Mountain Garnet Amphibolite, Adirondack Highlands T = 720°C Smith Grade Granite, Salinian Block,California T = 700°C Sherer et al. 2000 % de modification dans le grenat % pondéral de zircon dans le grenat Modélisation Zircon présent dans la matrice Zircon présent dans la matrice et le grenat Le problème des températures de fermeture Exemple du système Sm-Nd Exemple 1. Mezger et al., 1992, EPSL 113, 397-409 Granulites (Pikwitonei, Canada) 750°C, 7 kbar, 2640-2660 Ma (U-Pb zircons) dT/dt ca. 3°C/Ma, 0.5 cm Composition : Alm70 Pyr22 Gros4 Spes4 Ages Grt-RT : 2605 ± 9 Ma 2576 ± 5 Ma T Ma Amphibolites (Central Gneiss Belt , Canada) 780°C, 1040-1100 Ma (U-Pb sphènes), dT/dt = 2-4°C/Ma Ø Grenats : 0.1-0.2 cm Composition : Alm60 Pyr12 Gros25 Spes3 Age Grt-Hb-RT 1017±7 Ma • Tc 500-650°C • Ø 0.1-0.5 cm • grenats riches en Fe • P intermédiaires Exemple 2. Burton et al. 1995, EPSL 133, 199-211 Coronites plagio-grt-cpx de l’arc de Bergen, Norvège 900°C, 5-10 kbar, Composition : Alm35 Pyr50 Gros15 Ages U-Pb grt-cpx-pla 1151.2 ± 4.7 Ma Isochrone Sm-Nd grt-cpx-pla 912 ± 4.3 Ma Mais les âges par paire grenatminéral différent selon - les phases au contact - la position dans le grenat Modélisation de D et dT/dt Refroidissement à 4°C/Ma Estimation de D (3×10-8 cm2 s-1 Ea=44 kcal mol-1) • Tc 650 à 900°C • x =0.1-1 cm • grenats riches en Mg • PT mal contraint Bilan des estimations de Tc Sm-Nd dans les grenats à partir d’exemples naturels Mezger et al 92 Granulites de Pikwitonei Mezger et al 92 Amphibolites des Adirondack Burton et al 95 Granulites de Bergen Cohen et al 88 Granulites de Bergen Jagoutz 88 Eclogite de Tanzanie Vance et O'Nions 90 Métapélite du Newfounland T°C P kbar dT/dt Xalm Xpy 750 7 3 0.7 0.22 0.04 0.04 3 625 3 0.6 0.12 0.25 0.03 1.5 565 0 825 775 650 780 900 7.5 900 10 1040 0.35 0.5 0.15 XSp Ø mm Tc °C 9 4.5 1 >700°C > 16 kbar 30 1073 6.1 XGr 3 0.36 0.33 0.3 0.01 15 >840 0.62 0.02 0.24 0.11 12 >1073 Que prédit-on à partir des mesures expérimentales des coefficients de diffusion? Ganguly et al., 1998 A 1150°C, ca 10-18 m2 s-1 Van Orman et al., 2002 A 1150°C, ca 10-20 m2 s-1 Ganguly et al., 1998 • D’après Dodson, 1973 • Diamètre 5 mm • V. de refroidissement 10°C/Ma Van Orman et al., 2002 750 < Tc < 950°C Comparaison des simulations à partir des données expérimentales et des exemples naturels Van Orman 02 Ganguly 98 T°C P kbar dT/dt Xalm Xpy XGr XSp Ø mm Tc °C • La gamme des températures de clôture 734 900 750 7 3 0.7 0.22 0.04 0.04 3 625 déterminée par l’analyse d’exemples Mezger et al 92 694 850 Amphibolites des naturels est de environ. Adirondack 780 500 à 3 900°C 0.6 0.12 0.25 0.03 1.5 565 Mezger et al 92 Granulites de Pikwitonei Burton et al 95 Granulites de Bergen 806 900 7.5 760 674 Cohen et al 88 Granulites de Bergen Jagoutz 88 Eclogite de Tanzanie Vance et O'Nions 90 Métapélite du Newfounland 900 989 0.35 0.5 0.15 0 932 824 9 4.5 1 >700°C 10 954 1040 1073 6.1 825 775 650 30 1171 0.36 0.33 0.3 823 1010 3 0.62 0.02 0.24 0.01 15 >840 0.11 12 >1073 Des exemples plus récents Granulites de Calabre (Italy) Duchene et al., 2013 Pic métamorphique : 1.03 Gpa, T ~900 °C Age U-Pb zircon ~350 Ma Décompression jusqu’à 0.7 GPa et T ~ 700 °C Age U-Pb zircon 280 Ma Modélisation des différences d’âge grenat-roche totale en termes de Tc Coefficients de diffusion de Tirone et al. (2005) Granulites de Bohême - Ancziewicz et al. (2007) 2.8-3 GPa - 900-1100°C Isochrones Sm-Nd Isochrones Lu-Hf 340±4.1 Ma 373.8±4.0 Ma 320.5±3.0 Ma 386.6±4.9Ma L’absence d’isochrones internes dans les roches métamorphiques reflète l’absence d’équilibre isotopique au moment du métamorphisme. Cette absence d’équilibre isotopique peut être due: • à l’héritage de la signature isotopique des minéraux du protolithe • à l’héritage de la signature isotopique de microinclusions riches en REE antérieures au métamorphisme • à des différences de température de fermeture entre les différents minéraux/cristaux de la roche • au mélange des signatures isotopiques du cœur et du bord des minéraux polymétamorphiques Comment bien choisir et préparer ses échantillons si on est intéressé par le fait d’avoir un âge, pas par le fait de comprendre ce qui contrôle l’enregistrement chronométrique? - Choisir la bonne échelle d’échantillonnage - Faire une bonne étude pétrologique - Choisir des échantillons simples et à l’équilibre pétrologique - Faire un tri parfait - Faire un leaching adapté de ses échantillons Epilogue D’honorables perspectives… Estimer les vitesses de croissance minérale Datations Sm-Nd sur les grenats des pegmatites de Koralpe (Alpes) Ca Thöni et al., 2008 Cœur des grenats Bord des grenats Datations Sm-Nd sur les grenats des schistes des Tauern (Alpes) Pollington and Baxter, 2010 Explorer de nouvelles méthodes Isochrones Lu-Hf sur les phosphates Barfod et al., 2003 Isochrones Lu-Hf sur les lawsonites (Mulcahy et al., 2009) Au cas où… Une petite sélection biblio… L’histoire Ahrens L. , 1949 Measuring geologic time by the strontium method, GSA bulletin 60, 217-266 Annals of the New York Academy of Sciences, 1961, vol 91 La série des Baltimore Gneiss Nicolaysen L.O. , 1961. Graphic interpretation of discordant age measurements on metamorphic rocks. Annals of the New York Academy of Sciences 91, 198-206. Tilton G.R., Wetherill, G.W., Davis G.L., Hopston C.A. , 1958. Ages of minerals from the Baltimore gneiss near Baltimore, Maryland. Geol. Soc. Am.Bull. 69, 1469-1474 Wetherill G.W, Davis G.L., Lee-Hu, C., 1968. Rb-Sr measurement on whole-rocks and separated minerals from the Baltimore Gneiss, Maryland. Geol. Soc. Am. Bull. 79, 757-762 Le livre de référence Dickin A.P. , 1995. Radiogenic isotope geology. Cambridge University Press. pp 490 Les interprétations des isochrones internes des roches métamorphiques Scherer, E.E., Cameron, K.L., Blichert-Toft, J., 2000. Lu-Hf garnet geochronology: closure temperature relative to the Sm-Nd system and the effects of trace mineral inclusions. Geochimica et Cosmochimica Acta 64, 3413-3432. Thöni, M., Miller, C., Zanetti, A., Habler, G., Goessler, W., 2008. Sm-Nd isotope systematics of high-REE accessory minerals and major phases: ID-TIMS, LA-ICP-MS and EPMA data constrain multiple Permian-Triassic pegmatite emplacement in the Koralpe, Eastern Alps. Chemical Geology 254, 216-237. Notion de température de clôture La température de fermeture est la température correspondant à l'âge indiqué par le géochronomètre considéré. L’âge correspondant s ’appelle l’âge de refroidissement de l ’échantillon . D’après Dodson (1973) • Coefficient de diffusion DD0 exp E RT 1000 -11 -12 600 500 E = E0+DV (P-P0) où E0 est l'énergie d'activation à P0 Na -13 Ar -14 Si 2 -1 log(D(m s )) 700 900 800 où D0 est le terme pré-exponentiel Et E l'énergie d'activation de la diffusion DV est le volume d'activation 18 O -15 -16 -17 Orthose -18 -19 7 8 9 10 11 12 13 14 104/T(°K) x 2Dt Ar à 800°C et x =1mm, t= 12 ans Dodson (1973) Coefficient de diffusion D=D0 exp (-E/RT) E Tc = R ln ( Taille des grains a ARTc2 D0 a2 E (dT/dt) ) Vitesse de refroidissement dT/dt Conditions – la température initiale est supérieure à la température de clôture du système – le minéral est placé dans un réservoir infini – la température diminue selon une loi du type – 1/T = 1/T0 - v t A est un terme dépendant de la forme des grains. A = 55 pour une sphère, 27 pour un cylindre, 8.7 pour un feuillet. Comparaison des températures de clôture Sm-Nd, Lu-Hf Fe Hf Mg Lu Sm Nd R (A) 0.645 0.71 0.72 0.848 0.964 0.995 Charge 2 4 2 3 3 3 Lu doit diffuser deux fois plus vite que Sm et Nd Hf plus petit que Lu, Sm et Nd, mais plus chargé Si Lu contrôle Tc, Tc Lu/Hf < Tc Sm-Nd Mais si Hf contrôle Tc, que ce passe t’il? Comparaison Sm-Nd Lu-Hf, Scherer et al. 2000 • Ages Lu-Hf > âges Sm-Nd Xénolithe mantellique, Dt = 139 Ma, Tc Sm-Nd 540°C (+55/-225), Tc Lu-Hf 640°C (+55/-150°C) Gneiss granulitiques, Dt = 25 Ma, Tc Sm-Nd 500°C (+90/-190), Tc Lu-Hf 600 °C (+140/-250) • Ages Lu-Hf < âges Sm-Nd Gneiss des Adirondacks, âge de cristallisation ? Dt = 63 ± 40 Ma, Tc > 700°C pour les deux systèmes Age Lu/Hf > Sm/Nd pour des roches mantelliques (Lapen et al. 2005), mais pas de preuve que cela soit lié à la diffusion • Températures de clôture approximatives • He dans les apatites 50°C • Ar dans les FK 150°C • He dans les sphènes 200°C • Ar dans les biotites 300-350°C • Ar dans les micas blancs 350-400°C • Ar dans les hornblendes 500-550°C • Rb-Sr dans les biotites 250-350°C • Rb-Sr dans les micas blancs 450-550°C • Sm-Nd dans les grenats 700-800°C • U-Pb dans les zircons >800°C Le choix d’une méthode Période 87 Rb/87 Sr T = 50 Ga Radioactivité bêta 147Sm/143Nd Radioactivité alpha 238U/206Pb 235U/207Pb 40K/40Ar Capture d’électrons T = 106 Ga Roches Magmatiques Métamorphiques Sédimentaires Magmatiques Métamorphiques Minéraux Micas ( Rb) Grenat (Sm) T = 4,47 Ga Magmatiques T = 0,704 Ga Métamorphiques Zircons (U) Zircons (U) T = 11,93 Ga Métamorphiques Micas (K)
