Géochronologie et géochimie1 Licence 2. Géochronologie et géochimie2 1.La méthode Sm-Nd...

Géochronologie et géochimie 1

Licence 2


1. La méthode Sm-Nd

PrincipeLes terres raresL’âge isochroneL’âge modèleLa notation Couplage avec le Rb – Sr

2. La méthode U/Pb

PrincipeAges isochrones Th-Pb et U-PbIsochrone Pb-Pb.La concordiaDatation ponctuelleQuelques exemples

Plan


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.

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:

= 6,54 10-12 ans-1

T1/2 = 106 Ga

HeNdSm 42

14360

14762

Evidemment : datation de roches très vieilles (>1Ga si possible)…

3. La méthode Sm/Nd


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

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.

3. La méthode Sm/Nd – Les terres rares


1144

147

144

143

144

143

t

mim

eNd

Sm

Nd

Nd

Nd

Nd

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.

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….



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.

147Sm/144Nd

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

143 N

d/14

4 Nd

0.510

0.512

0.514

0.516

Age = 2668+64 Ma

initial 143Nd/144Nd ratio = 0.50918+0.00010

Diagramme isochrone Sm-Nd illustrant des données provenant de filons d’or au Zimbabwe.



Datation du volcanisme lunaire

APOLLO 15Borg et al.

T = 3.4 +/- 0.1 Ga87Sr/86Sr initial = 0.6993

143Nd/144Nd initial = +1.2 +/- 1

2. Rappels – Méthode isochrone Rb/Sr


MODELE CHONDRITIQUE

Matériel le plus primitif du SS := REFERENCE PRIMAIRE

3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique


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).

n° atomique pair plus abondant que les n° atomiques impairs qui les encadrent

HREELREE



Normalisation aux chondrites(spectres de REE)

Grandes famillesCourbes plus lisses



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!

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.



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.

1144

147

144

143

144

143

t

mim

eNd

Sm

Nd

Nd

Nd

Nd

Hypothèse sur le rapport (143Nd/144Nd)i



iCHUR

iEch Nd

Nd

Nd

Nd

144

143

144

143



1144

147

144

143

144

143

T

ActuelCHUR

iCHUR

ActuelCHUR

eNd

Sm

Nd

Nd

Nd

Nd

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 Rapport actuel du CHUR:0,1967

Equation de la droite d’évolution chondritique



1144

147

144

143

144

143

T

ActuelEch

iEch

ActuelEch

eNd

Sm

Nd

Nd

Nd

Nd

Quant à l’échantillon, il évolue suivant:

Rapport actuel de l’éch.(mesuré)

Rapport initial de l’éch.(le même que le CHUR)

Rapport de l’éch.(mesuré)

Equation de la droite d’évolution de l’échantillon



ActuelEch

ActuelCHUR

ActuelEch

ActuelCHUR

NdCHUR

NdSm

NdSm

NdNd

NdNd

T

144

147

144

147

144

143

144

143

1ln1

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.


En combinant les deux…


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!



tim e (G a )

143

144

Nd

/N

d

D e p le t e d m a n t le

C H U R

Bulk Ea rth

C o ntine nta l c rust

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)

3. La méthode Sm/Nd – La notation


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.

Nd,CHUR > 0 pour le manteau. La croûte a évoluée avec des rapports

143Nd/144Nd inférieurs à ceux du CHUR au cours du temps

Nd,CHUR < 0 dans la croûte.

4

144

143

144

143

101

CHUR

EchCHUR

NdNd

NdNd

Nd

3. La méthode Sm/Nd – La notation


Comportements opposés des deux couples

3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr

Rapports isotopiques du Sr : 87Sr/86Sr

riSr>CHOND

riSr<CHOND


Rapports isotopiques du Nd : 143Nd/144Nd

riNd<CHOND

riNd>CHOND



Rapports isotopiques 87Sr/86Sr et 143Nd/144Nd

143Nd/144Nd

87Sr/86Sr

CHOND.

0.70475

0.512638

RESIDUSFP

LIQUIDES



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)

CHONDRITES

Ci Sr et NdMORB & OIB

etcrôute cont.



La méthode U/PbPrincipeAges isochrones Th-Pb et U-PbIsochrone Pb-Pb.La concordiaLa sonde ionique: une datation ponctuelleQuelques exemples

Plan


Chaînes de désintégration

Pb -207STABLE

1. Principe


238U series 232Th series 235U 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 stableSéries 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.

1. PrincipeLes périodes de demi-vie


1. Principe


Ces chronomètres sont probablement les plus précis que l’on puisse mettre en œuvre sur des échantillons d’âge géologique raisonnablement vieux (>30 Ma)

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 0,006207Pb/204Pb = 10,294 0,006208Pb/204Pb = 29,476 0,018

1. Principe – couples U/Pb et Th/Pb


La stratégie de datation se fera en fonction du type de minéral

CONCORDIA Datation Pb-PbISOCHRONES U/Pb & Th/Pb

2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb


)1( 8

204

238

0

204

206

204

206

te

Pb

U

Pb

Pb

Pb

Pb

)1( 5204

235

0

204

207

204

207

te

Pb

U

Pb

Pb

Pb

Pb

Le 204Pb n’est pas radiogénique et il est stable. Nous pouvons alors écrire:

)1( 2

204

232

0

204

208

204

208

te

Pb

Th

Pb

Pb

Pb

Pb D0

N mesuré

D mesuré



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!



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”.



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



Mais attention…

238U/204Pb



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.





2. Ages isochrones Pb/Pb


1

18

5

238

235

0

204

206

204

2060

204

207

204

207

t

t

t

t

e

e

U

U

PbPb

PbPb

PbPb

PbPb

1

1

88.137

18

5

0

204

206

204

2060

204

207

204

207

te

e

PbPb

PbPb

PbPb

PbPb

t

t

t

pente



206Pb/204Pb 207Pb/204Pb 208Pb/204Pb

9.306 +/-8 10.298+/-9 29.476+/-31

A t = 4.56 G a



Datation Pb-Pb : diagramme 207Pb/204Pb vs 206Pb/204Pb

Utilisée uniquement sur Fds et Galènes : CI Pb fixe en fonction du temps

µ=238U/204Pb



Galènes (PbS): pas d’U, composition isotopique gelée à la formation du gisement.



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 Å3. 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).

3. La concordia

Le zircon


Valeurs numériques de e1t - 1, e2t - 1, et du rapport 207Pb/206Pb radiogénique en fonction de t.

Ga e1t - 1 e

2t - 1

Pb

Pb206

207 * Ga e1t - 1 e

2t - 1

Pb

Pb206

207 *

0 0.0000 0.0000 0.04607 2.4 0.4511 9.6296 0.154920.2 0.0315 0.2177 0.05014 2.6 0.4968 11.9437 0.174470.4 0.0640 0.4828 0.05473 2.8 0.5440 14.7617 0.196930.6 0.0975 0.8056 0.05994 3.0 0.5926 18.1931 0.222790.8 0.1321 1.1987 0.06584 3.2 0.6428 22.3716 0.252571.0 0.1678 1.6774 0.07254 3.4 0.6946 27.4597 0.286901.2 0.2046 2.2603 0.08017 3.6 0.7480 33.6556 0.326531.4 0.2426 2.9701 0.08886 3.8 0.8030 41.2004 0.372321.6 0.2817 3.8344 0.09877 4.0 0.8599 50.3878 0.425251.8 0.3221 4.8869 0.11010 4.2 0.9185 63.5753 0.489512.0 0.3638 6.1685 0.12306 4.4 0.9789 75.1984 0.557462.2 0.4067 7.7291 0.13790 4.6 1.0413 91.7873 0.63969

Modèle corcordant

206Pb* = 238U(e1t -1) 207Pb* = 235U(e2t -1)

206Pb*/ 238U = (e1t -1) 207Pb* / 235U = (e2t -1)

3. La concordia


Diagramme Concordia : combinaison de 2 chronomètres

Courbe= lieu où les deux méthodes

donnent le même âge

= R5

= R8

Si les points sont concordantsconcordants : même âge

= R8

= R5

Choix : Minéral sans Pb initial (souvent zircon)

Pas dans la nature (expérimental)

lieu des discordias

3. La concordia


Age concordant

= R5

= R8

Pas dans la nature (expérimental)

lieu des discordias

3. La concordia

Ech. concordants


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.

3. La concordia


Si les points sont discordants : DISCORDIA

1er cas: PERTE EN Pb CONTINUE jusqu’à aujourd’hui

Intercept Sup = AGE

Intercept Inf = Actuel (0 Ma)

Intensité de la

perte

3. La concordia


Intercept Sup = AGE première

fermeture

Intercept Inf = Age de la perte : T1

Attention : Pas de perte en Pb continue depuis T1 !!!

3. La concordia

2eme cas: PERTE EN Pb INSTANTANEE T°C>T°fermeture


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.

3. La concordia

EN RESUME

Géochronologie et géochimie 54Photo: M. Poujol, 2004

3. La concordia

Comment limiter la discordance???


Effet de l’abrasion et de la séparation magnétique sur la concordance des zircons

3. La concordia


4. La datation ponctuelle

La sonde ionique SIMS


Des possibilités considérables!



Exemple: Les plus vieux minéraux terrestres Ouest AustralieT = 4.4 Ga +/- 4 Ma

Wilde et al., 2001



Diagramme représentant des grains de zircon dans des métasédiments à faciès granulite au Sri Lanka.


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