HLST-514: Concours – Géologie! Notions - Moodle UM

HLST-514: Concours – Géologie!
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Cours: Géochimie!
Traceurs, Réservoirs et Datation Géochimique!
Dmitri Ionov: [email protected]!
Géosciences Montpellier!
La géochimie est la science qui s’intéresse à la composition chimique et
isotopique de la Terre et des roches qui la composent. Il est courant que le terme
géochimie soit utilisé dans le cadre d’étude de la composition de l’atmosphère, de
l’hydrosphère (océans, mers, lacs, etc.) et même d’objets extraterrestres (dans ce
cas, le terme cosmo-chimie est plus approprié).
Plus précisément, la géochimie a pour objectifs principaux de :
(1) déterminer la composition chimique et isotopique des enveloppes de la Terre
ainsi que l’évolution de ces compositions au cours de son histoire;
(2) quantifier et caractériser les transferts de matière et d’énergie entre les
différents réservoirs terrestres ;
(3) dater la formation des roches et les événements dans l’histoire
(4) reconstituer les environnements du passé (paléo-environnements).
Traceurs géochimiques: Les teneurs d’éléments, ou leurs
rapports, ou les rapports isotopiques indicatifs de certains
processus, formations géologiques, situations tectoniques…
Réservoirs géochimiques: un espace physique où est
stocké la matière avec la la spécifique composition chimique
et isotopique (traceurs) et qui constitue le point de départ et/
ou d’arrivée de flux de la matière (et de l’énergie).
Cycles géochimiques: échanges régulières de la matière
entre différents réservoirs géochimiques (cycles d’eau,
carbone)
Datation en utilisant les rapports d’isotopes radiogéniques
Notions
Rappels sur les éléments et les atomes
Atomes = noyau + couches des électrons
• Taille typique dun atome = ~10-10 mètres (10-8 cm ) ou ~10 nm
(nanomètres) ou ~1 angstrôm (Â)
• Diamètre dun noyau = 1/10000 = ~10-14 m ou ~10-4 Â
Noyaux (nuclides, nucléides)
Composants des noyaux =
Nucléons =
proton (p+), neutron (n0)
Transformations de nucléons =
réactions nucléaires
n ---> p+ + β
-
p+ ---> n + β
+
p+ + β
----> n
Noyaux - propriétés physiques et radioactivité
Électrons - propriétés (géo-) chimiques (sauf radioactivité)
Nuclide, combinaison possible
de nucléons, caractérisé par :
On désigne un nuclide d’un élément X par la notation : AZX
Exemple: 146C = un atome de carbone avec 14 nucléons,
dont 6 protons et 14 - 6 = 8 neutrons
En géochimie le Z (atomic number) nest pas toujours
indiqué avec le nom délément, i.e. 7Li – pourquoi?
• le nombre de protons = « le numéro
atomique » (Z); angl. “atomic number”
• le nombre de neutrons (N);
• le nombre de nucléons (A = Z + N) = le
nombre de masse; angl. “mass number”

Isotopes = des nuclides avec le même numéro atomique Z et
différents N (et A) / cest toujours le même élément
isobars
isotopes
Charte de nuclides diagramme N-Z
Quand le Z augmente, la zone
de stabilité est enrichie en
neutrons par rapport à la ligne
dégalité N=Z
(1) Concentrations d’éléments chimiques sont exprimés en
proportions de masse (élément / échantillon total)
Unité de base (concentration d’élément): g/g.
Unités adaptées aux teneurs des différents éléments:
- pour cent (%): g/g*102 (g/g = %*10-2) (élém. majeurs)
- pour mille (%0): g/g*103 (g/g = %0*10-3) = mg/g (iso-stables)
- ppm (angl. = parts per million): g/g*106 (g/g = ppm*10-6)
ppm = µg/g (él. traces)
- ppb (angl. = parts per billion): g/g*109 (g/g = ppm*10-9)
ppb = ng/g (él. ultra-traces)
- ppt (angl. = parts per trillion): g/g*1012 (g/g = ppm*10-12)
ppt = pg/g (él. ultra-traces)
(2) Rapports isotopiques sont exprimés en proportions de
nombres d’atomes (%, percent; %0, permil, per-mille)
Concentrations d’éléments et rapports isotopiques
La qualité danalyses (« ?précision? ») est estimée
généralement de deux manières.
(1) Des procédures internes au laboratoire (analyses
multiples dun échantillon) permettent de contrôler la
reproductibilité (± 2 σ) de l'appareillage, voire fidélité d'une
chaîne entière d'analyse (méthode) quand l'analyse proprement dite
(technique) est précédée d'un traitement chimique.
(2) En deuxième lieu, des standards inter-laboratoires
(roches, minéraux) permettent destimer la justesse
(relative aux standards analysés comme inconnus)
Précision!
• It is impossible to perform a chemical analysis that is error
free or without uncertainty.!
• Our goals are to minimize errors and to calculate the size of
the errors.
σ "σ "
Intervalles de confiance
(pour les moyennes d’analyses)
Normalement c’est ±2σ = 95,5%
de tous les valeurs obtenus
Distribution normale (statistique)
angl. Standard Normal Distribution
qualité danalyses géochimiques

Calculez: (a) moyenne; (b) variance, (c) ecart-type
Data (en ppm) Ecart Δx2
2.3 |2.3 - 2.5| = | -0.2| |0.04|
2.6 |2.6 - 2.5| = |+0.1| |0.01|
2.2 |2.2 - 2.5| = | -0.3| |0.09|
2.4 |2.4 - 2.5| = | -0.1| |0.01|
2.9 |2.9 - 2.5| = |+0.4| |0.16|
(a) Moyenne = 2.5
Variance = =(0,04+0,01+0,09+0,01+0,16)/(5-1)= 0,078
Ecart-type = 0.28 ppm
Ecart-type réduit = 0,28 ppm / 2,5 ppm = 11%
Abondance isotopique
• Proportions relatives des différents isotopes dun élément
existant naturellement exprimées en %
• Toujours en proportions de nombres datomes
• Exemple: pour 8537Rb c’est 72,15%: de 10000 atomes de Rb 7215 sont 8537Rb
• On peut calculer le poids atomique dun élément à partir des masses
atomiques et abondances isotopiques
Exemple#: calculez masse atomique de Cl (uma)#à partir de ces isotopes:!
____________________________!
Isotope ! !mass ! !abondance!
3517Cl ! !34,96885 !75,77%!
3717Cl ! !36,9659!24,23%
34,9688*0,7577 + 36,9659*0,2423 = 26,4958+8,9568 = 35,45
Exemple#: calculez masse atomique de Li (uma)#à partir de ces isotopes:!
____________________________!
Isotope ! !mass ! !abondance!
63Li ! !6,015 ! !7,5%!
73Li ! !7,016 ! !92,5%
6,015*0,075 + 7,016*0,925 = 0,451+6,490 = 6,941
Notion de «mole»
« Poids atomique en grammes »
Une mole dun atome (ou une molécule) contient un nombre
fixe datomes (ou des molécules) :
Nombre dAvogadro, Na = 6,0221367 x 1023 (mole-1)
Une mole est la quantité dun système qui contient autant
dentités élémentaires quil y a datomes dans 12 g de 126C
Masse molaire atomique (ou moléculaire):
La masse atomique (ou moléculaire) en grammes dune mole
délément (ou substance)
« Particules » (molécules ou atomes), dans un état gazeux dit parfait,
occupent toutes le même volume moyen : soit 22,41 L sous une pression
de 1,013×10 Pa et une température de 273,15 K, pour le nombre de
particules égal au nombre d'Avogadro
Exercices: teneurs en éléments et en oxydes dans
des minéraux (silicates)
Teneur en élément K dans le « K-feldspath » KAlSi3O8 ?
- Masse molaire (moléculaire) de KAlSi3O8?
39,098+26,982+28,086*3+16*8=278,338
Teneur (%) en K? K / KAlSi3O8 = (39,1/278,3)*100% = 14,05%
Teneur (%) en K2O dans KAlSi3O8 ?
(a) 14,05%*1,205 = 16,9%;
K ! K2O = [2*39,1/(2*39,1+16)] = 0,83; K2O ! K = 1,205
b) *Astuce: K2O --> K1O1/2 (un seul atome K dans KAlSi3O8)
K1O1/2 / KAlSi3O8 = [(39,1+8)/278,3]*100% = 16,9%
Formule d’un minéral donne des proportions de nombres d’atomes. Pour les
minéraux « une mole » est une valeur « virtuel » car les « molécules » individuelles
nexistent pas. Cest les proportions déléments ou des oxydes dans une formule

Exercice 1: Concentration de Nd2O3 dans un minéral est 150
ppm. Combien datomes de 143Nd sont présent dans 50 mg de
cet minéral? Abondance isotopique de 143Nd = 12,18%
(1) 150 ppm = 150*10-6 g/g = 0,00015 g/g Nd2O3; 50mg=0,05g
(2) Conversion ox. ! Nd: 2*144,2/(2*144,2+16*3) = 0,857 ou 1,16
(3a) 0,00015 g/g*0,857 = 0,000128g/g Nd
(3b) 0,000128 g/g * 0,05 g = 6,4*10-6 g
(3c) 6,4*10-6 g /144,4 g/mole = 4,46*10-8 moles Nd
(3) 0,00015g/g*0,857*0,05 g /144,4 g/mole = 4,46*10-8 moles Nd
(4a) 4,46*10-8 * 6,022*1023 = 2,69*1016 nombre d’atomes de Nd
(4b) 2,69*1016 * 0,1218 = 3,27*1015
(4) 4,46*10-8 * 6,022*10-23 * 0,1218 = 3,27*1015 nombre d’atomes
143Nd
Sujets:
• Abondances des éléments dans le soleil et les météorites
• Relations des abondances déléments avec l’énergie des
liaisons nucléaires, processus de formation d’éléments…
• La nucléosynthèse, formation d’éléments
• Formation et évolution de l’Univers, processus stellaires
HLST-514 Géochimie
Sujet 2
Abondances des éléments
(cosmiques et terrestres)
Spectroscopie du soleil et des étoiles
• Les spectres provient des couronnes des étoiles, donc
leurs parties externes, pas modifiés pas réactions
nucléaires qui ont lieu dans lintérieur.
• Les compositions des galaxies sont très comparables a
celle du soleil.
• La couronne solaire est probablement un « échantillon »
de la matière primordiale, la même que au début de
lorigine du système solaire (4,5 Ga), proche à la
composition des météorites non-différenciés et de la terre
primitive (à lexception déléments au caractère volatil)
Notion dabondances cosmiques standards
(abondances d’éléments dans le système solaire avant sa
différentiation et formation de planètes, dont la Terre)
Energie des liaisons dans les nucléons
Défauts de masses de nucléons (atomes)
- La somme de masses des nucléons pour tous les nuclides est plus
élevée que la masse atomique = « défaut de masse » ! « lénergie de
liaison des nucléons »
- Donc, lassociation des nucléons au sein de noyau ce traduit par une
perte de masse qui est équivalente de lénergie de liaison de lensemble
des nucléons (énergie des « interactions fortes » nucléaires)
Conclusion: les nuclides avec l’énergie de liaison élevés sont plus
stables, donc leurs concentrations dans l’univers sont plus élevés
Calcul de la masse « théorique » = la somme de masses de nucléons:
Pour 27Al: M = 13p + 14n + 13e
13 x 1,007276 + 14 x 1,008665 + 13 x 0,0005486 = 27,22303
∆M = 27,22303 - 26,98154 = 0,24149 uma
El = (931,5 x 0,24149)/27 = 8,33 MeV par nucléon
Energie de liaison des nucléons est entre 7,5 et 8,8 MeV

Abondances déléments dans le système solaire: la
fonction complexe de numéros atomiques!
• Diminution générale avec Z
• Abondances plus faibles des
éléments à numéro at. impair
que pairs (nuclides ± stables)
• Déficit des atomes légers (Li,
Be, B ± F, Sc) - destructions
dans le cœur des étoiles par
capture de neutrons
• Maximums: Fe, Pb
Fe - pic de stabilité = énergie
de liaison par nucléon maxim.
Pb - produit par désintégration
plusieurs éléments radioactifs
plus lourds
A noter:
Abondance des éléments dans
lUnivers (normée à un million
datomes de Si) en fonction du
numéro atomique (Z)!
La nucléosynthèse, formation déléments
résumé
4 types (et lieus) de
processus de
formation déléments:
• Big Bang (H, He, ~Li)
• Stellaire = fusion
déléments légers dans
les étoiles, He - Fe
• Capture des neutrons
(supernova - lourdes)
• « Spallation » =
réactions datomes
avec des particules
dhautes énergies (Li,
Be, B)
Sujets:!
1) Groupes géochimiques déléments!
• Rappels: Structure électronique datomes (couches
délectrons / niveaux dénergie)!
• Classification périodique déléments (chimique) à partir des
structures électroniques!
• Groupes géochimiques déléments dans le tableau
périodique (classification chimique + taille d’atomes)!
2) Graphiques (spéctres) pluri-éléments, rapports
d’éléments!
«#Spectres#» de Terres Rares et éléments-traces!
Classification géochimique des éléments,
groupes géochimiques d’éléments
- La liste des éléments est donnée par le tableau périodique
(la périodicité des propriétés physico-chimiques des éléments).
- Les éléments y sont classés de manière linéaire en fonction
de nombre d’électrons (= protons) pas par masses atomiques
- Une période est une ligne de la table (alkali ! gaz rares)
- Les éléments d’un même groupe (colonne) ont des propriétés
chimiques semblables.
- Périodes 4-7 sont plus longs grâce aux éléments de transition