2. - Fabrice Monna
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Licence 3 Géochronologie et géochimie 1 Plan 1. La méthode Sm-Nd Principe Les terres rares L’âge isochrone L’âge modèle La notation e 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: 144Sm, 147Sm, 148Sm, 149Sm, 150Sm, 152Sm, 154Sm. Nd: 142Nd, 143Nd, 144Nd, 145Nd, 146Nd, 148Nd, 150Nd. Le 147Sm est radioactif et se désintègre en 143Nd stable suivant: 147 62 4 Sm 143 Nd 60 2 He l = 6,54 10-12 ans-1 T1/2 = 106 Ga Evidemment : datation de roches très vieilles (>1Ga 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: 143Nd 143Nd 147Sm lt 144 144 144 e 1 Nd m Nd i Nd m 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. 0.516 Age = 2668+64 Ma Nd/ 144 Nd 0.514 143 Diagramme isochrone Sm-Nd illustrant des données provenant de filons d’or au Zimbabwe. 0.512 0.510 initial 0.0 143 Nd/ 144 0.1 0.2 147 Géochronologie et géochimie Nd ratio = 0.50918+0.00010 Sm/ 0.3 0.4 144 Nd 9 2. Rappels – Méthode isochrone Rb/Sr Datation du volcanisme lunaire T = 3.4 +/- 0.1 Ga APOLLO 15 Borg et al. 87Sr/86Sr initial = 0.6993 143Nd/144Nd 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 que 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 143Nd/144Nd augmente plus vite dans le manteau que dans la croûte. En conséquence les roches dérivant du manteau ont des rapports (143Nd/144Nd)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 (143Nd/144Nd)i 143Nd 143Nd 147Sm lt 144 144 144 e 1 Nd m Nd i Nd m Géochronologie et géochimie 16 3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle 143Nd 143Nd 144 144 Nd iEch Nd CHUR i 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: 143Nd 143Nd 147Sm 144 144 144 e lT 1 Nd CHUR Nd CHUR Nd CHUR Actuel i Actuel 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: 143Nd 143Nd 147Sm 144 144 144 e lT 1 Nd Ech Nd iEch Nd Ech Actuel Actuel 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… Nd TCHUR 143Nd 143Nd 144 144 CHUR Ech Nd Nd Actuel Actuel 1 ln 1 147 l Sm 147Sm 144 144 Nd CHUR Nd Ech Actuel Actuel 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. 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) Nd/144Nd tle an 143 m d e le t p UR De CH C rust c l a t en o ntin Bulk Earth time (Ga) Géochronologie et géochimie 22 3. La méthode Sm/Nd – La notation e e CHUR Nd 143Nd 144 Nd Ech 143 1 10 4 Nd 144 Nd CHUR Le manteau présente des rapports 147Sm/144Nd supérieurs à ceux du CHUR, de sorte que le manteau a évolué avec des rapports 143Nd/144Nd supérieurs à ceux du CHUR au cours du temps. eNd,CHUR > 0 pour le manteau. La croûte a évoluée avec des rapports 143Nd/144Nd inférieurs à ceux du CHUR au cours du temps eNd,CHUR < 0 dans la croûte. Géochronologie et géochimie 23 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr Rapports isotopiques du Sr : 87Sr/86Sr riSr>CHOND riSr<CHOND Comportements opposés des deux couples Géochronologie et géochimie 24 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr Rapports isotopiques du Nd : 143Nd/144Nd riNd>CHOND riNd<CHOND Géochronologie et géochimie 25 3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr Rapports isotopiques 87Sr/86Sr et 143Nd/144Nd 143Nd/144Nd RESIDUS FP 0.512638 CHOND. LIQUIDES 0.70475 Géochronologie et géochimie 87Sr/86Sr 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 238U 232Th series 235U series series 238U 4.47x109yr 232Th 1.40x1010yr 235U 7.04x108yr 234Th 24.1 day 228Ra 5.75 yr 231Th 25.5 day 234Pa 1.18 min 228Ac 6.13 hr 231Pa 3.25x104yr 234U 2.48x105yr 228Th 1.91 yr 227Ac 21.8 yr 230Th 7.52x104yr 224Ra 3.66 day 227Th 18.7 day 226Ra 1.62x103yr 220Rn 55.6 sec 223Ra 11.4 day 222Rn 3.82 day 216Po 0.15 sec 219Rn 3.96 sec 218Po 3.05 min 212Pb 10.6 hr 215Po 1.78x10-3sec 214Pb 26.8 min 212Bi 60.6 min 211Pb 36.1 min 214Bi 19.7 min 212Po 3.0x10-7sec 211Bi 2.15 min 214Po 1.64x10-4sec 208Pb stable 207Tl 4.77 min 210Pb 22.3 yr 207Pb stable 210Bi 5.01 day 210Po 138 day 206Pb stable Séries de désintégration de 238U, 232Th et 235U, avec les demi-vies des 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., 238U donne 206Pb, 235U donne 207Pb et 232Th donne 208Pb. 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: 206Pb/204Pb = 9,307 0,006 207Pb/204Pb = 10,294 0,006 208Pb/204Pb = 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 204Pb n’est pas radiogénique et il est stable. Nous pouvons alors écrire: Pb 206Pb 204 204 Pb Pb 0 206 Pb 207 Pb 204 204 Pb Pb 0 207 Pb Pb 204 204 Pb Pb 0 208 208 238 U l8t (e 1) 204 Pb 235 U l 5t (e 1) 204 Pb 232 Th l2t (e 1) 204 Pb D0 Géochronologie et géochimie N mesuré D mesuré 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). 232Th/204Pb Géochronologie et géochimie 37 2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb Mais attention… 238U/204Pb 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 (U4+ insoluble en profondeur puis par oxydation uranyle UO2++ plus soluble en surface). 2. Pour le couple 232Th-208Pb, par l’obtention difficile de valeurs précises en 232Th. 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 207 Pb 204 Pb t 206Pb 204 Pb t 207 Pb 204 Pb 0 206 Pb 204 Pb 0 235 U 238 U e l 5t 1 l t 8 e 1 207 Pb 207 Pb 204 204 1 e l5t 1 Pb t Pb 0 l 206 206 8t Pb Pb 137.88 e 1 204 204 Pb t Pb 0 pente Géochronologie et géochimie 41 2. Ages isochrones Pb/Pb A t = 4.56 Ga 206 Pb/ 204 Pb 9.306 +/-8 207 204 Pb/ Pb 10.298+/-9 208 204 Pb/ Pb 29.476+/-31 Géochronologie et géochimie 42 2. Ages isochrones Pb/Pb Datation Pb-Pb : diagramme 207Pb/204Pb vs 206Pb/204Pb µ=238U/204Pb Utilisée uniquement sur Fds et Galènes : CI Pb fixe en fonction du temps Géochronologie et géochimie 43 2. Ages isochrones Pb/Pb Galènes (PbS): 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 (ZrSiO4) est souvent utilisé. 1. ll est commun. 2. Il permet la substitution de l’U et du Th au Zr: rZr4+ = 0.80 Å; rU4+ = 0.97 Å; rTh4+ = 1.08 Å 3. A la formation initiale, il n’y a pas de Pb: rPb2+ = 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 = 238U(el1t -1) 207Pb* = 235U(el2t -1) = (el1t -1) 207Pb* / 235U = (el2t -1) 206Pb* Ga 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 el1t - 1 el2t - 1 0.0000 0.0315 0.0640 0.0975 0.1321 0.1678 0.2046 0.2426 0.2817 0.3221 0.3638 0.4067 0.0000 0.2177 0.4828 0.8056 1.1987 1.6774 2.2603 2.9701 3.8344 4.8869 6.1685 7.7291 206Pb*/ 238U 207 Pb 206 Pb * 0.04607 0.05014 0.05473 0.05994 0.06584 0.07254 0.08017 0.08886 0.09877 0.11010 0.12306 0.13790 Ga el1t - 1 el2t - 1 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 0.4511 0.4968 0.5440 0.5926 0.6428 0.6946 0.7480 0.8030 0.8599 0.9185 0.9789 1.0413 9.6296 11.9437 14.7617 18.1931 22.3716 27.4597 33.6556 41.2004 50.3878 63.5753 75.1984 91.7873 Valeurs numériques de el1t - 1, el2t - 1, et du rapport 207Pb/206Pb Géochronologie et géochimie 207 Pb 206 Pb * 0.15492 0.17447 0.19693 0.22279 0.25257 0.28690 0.32653 0.37232 0.42525 0.48951 0.55746 0.63969 radiogénique en fonction de t. 47 3. La concordia Diagramme Concordia : combinaison de 2 chronomètres = R8 Choix : Minéral sans Pb initial (souvent zircon) = R8 Courbe = lieu où les deux méthodes donnent le même âge = R5 = R5 Si les points sont concordants : même âge Géochronologie et géochimie 48 3. La concordia = R8 Age concordant Ech. concordants = R5 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 1er cas: PERTE EN Pb CONTINUE jusqu’à aujourd’hui Intercept Sup = AGE Intercept Inf = Actuel (0 Ma) Si les points sont discordants : DISCORDIA Géochronologie et géochimie 51 3. La concordia 2eme cas: PERTE EN Pb INSTANTANEE T°C>T°fermeture Intercept Sup = AGE première fermeture Intercept Inf = Age de la perte : T1 Attention : Pas de perte en Pb continue depuis T1 !!! 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
