le géochronomètre Rb-Sr

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Systématique Rb-Sr ou méthode isotopique des systèmes « pauvres »

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Systématique Rb-Sr ou

méthode isotopique des systèmes « pauvres »

I.   INTRODUCTION La systématique Rb-Sr comporte en fait, deux outils isotopiques:

1. le géochronomètre Rb-Sr

2. le traceur radiogénique 87Sr/86Sr - le géochronomètre Rb-Sr permet de déterminer des âges absolus par le principe de la

désintégration radioactive: âge d ’une roche (magmatisme, volcanisme), âge d ’un événement pertubateur (métamorphisme, hydrothermalisme-métallogenèse).

- le traceur radiogénique 87Sr/86Sr permet de caractériser l ’évolution de différents réservoirs

terrestres (croûte, manteau, océans, …) au cours des temps géologiques. Cette évolution marque ou rappelle les processus génétiques ou les processus prépondérants qui affectent ces réservoirs (processus ou activités endogènes, concentrations géochimiques, processus d ’altération, …)

I. Principe du géochronomètre :

I. a. caractéristiques géochimiques I. b. fonctionnement en système clos et en système ouvert

I. Principe du géochronomètre : Historiquement, les datations Rb/Sr ont été les premières datations utilisées par les géochimistes et les géologues-structuralistes: 1. comprendre l’organisation spatiale des différentes plaques lithosphériques:

- notion de bouclier et de zones orogéniques - individualisation de macro et de micro-plaques lithosphériques.

2. déterminer les principales phases orogéniques:

- orogène hercynienne ou varisque: 300 mA - orogène cadomienne: 400 mA - orogène pan-africaine: 600 mA - orogène greenvillienne: 1000 mA

87Rb ⇒ 87S r

Le principe du fonctionnement de ce système isotope radioactif-père donnant un isotope radiogénique-fils est la base des méthodes dites méthodes des isochrones (87Rb-86Sr, 147Sm-143Nd, 176Lu-176Hf, 187Re-187Os). Malheureusement, la mobilité du rubidium (Rb) et du strontium (Sr) dans les fluides métamorphiques et hydrothermaux ont souvent mis ce géochronomètre en défaut. Actuellement, cette méthode est utilisée en première approche ou reste encore utilisée dans des disciplines plus marginales (métallogénie-hydrothermalisme) ou elle reste utile par défaut de géochronomètre techniquement exploitable: exemple des minéralisations sulfurés ou métalliques.

87Rb ⇒ 87S r

I. a. caractéristiques géochimiques du géochronomètre Rb-Sr Le Rb est un élément alcalin qui appartient au groupe IA:

(Li, Na, K, Rb, Ce et Fr) - rayon ionique 1.48 Å est voisin de celui du K - substitution dans les minéraux potassiques comme:

dans les micas: muscovite, biotite, phlogopite, lépidolite dans les feldspaths K: orthoclase et microcline dans les argiles en raison de la structure minéralogique dans les minéraux évaporitiques: sylvinite et carnallite.

- le Rb possède 2 isotopes naturels:

85Rb : 72.1654% et 87Rb : 27.8346% - le rapport 85Rb/87Rb est invariable à 2.59265 ± 0.00170

λ87Rb:1.42 10-11a-1 T1/2: 48.8 109a

Le Sr est un élément alcalino-terreux qui appartient au groupe IIA: (Be, Mg, Ca, Sr, Ba et Ra)

- rayon ionique: 1.13 Å légèrement supérieur à celui du Ca 0.99 Å

- substitution dans les minéraux calciques comme: les plagioclases, l’apatite les carbonates de Ca: calcite, aragonite

- le Sr possède 4 isotopes naturels: 88Sr environ 82.58% 87Sr environ 7.04% 86Sr environ 9.86% 84Sr environ 0.56%

d'un minéral à l'autre, l'abondance isotopique du 87Sr est variable, car il est issu de la désintégration du 87Rb. Son abondance ou concentration isotopique (mole/mole) est une fonction de l’âge et de la quantité initiale de Sr et de Rb, présents dans le système (minéral, roche, ...).

3 rapports isotopiques restent invariables : 88Sr/86Sr, 88Sr/84Sr, 86Sr/84Sr

84Sr/88Sr: 0.00675 et 86Sr/88Sr: 0.11940

L’équation de base du géochronomètre : si on divise par 86Sr, on obtient l’équation suivante:

87Sr86Sr

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Pour utiliser cette équation, il nous faut déterminer les différents rapports isotopiques et les concentrations en Rb et Sr ... - les rapports isotopiques du Strontium (Sr) :

spectromètre de masse - les concentrations en Rb et Sr:

spectromètre de masse + technique de la dilution isotopique Ou autres méthodes d ’analyses précises:

Absorption Atomique - AAS ICP-AES ou ICP-MS

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Deux méthodes possibles pour calculer l'âge d'un système (roche ou minéral): a. lorsque le rapport (87Sr/86Sr)i est arbitrairement fixé:

c ’est la méthode des âges apparents.

Cette méthode est seulement utilisée pour une approche approximative de l ’âge absolu d ’un système (roche ou minéral).

87Sr86Sr

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b. lorsque plusieurs sous-systèmes co-génétiques sont analysés : ex: une roche totale et de ses minéraux ex: différents faciès/localisations dans un massif granitique

Théoriquement, le système et les sous-systèmes fonctionnent en système clos, ils possèdent donc tous le même rapport (87Sr/86Sr)i.

Dans le diagramme (87Rb/86Sr) versus (87Sr/86Sr), la droite qui relie tous les points d ’un ensemble système/sous-système (roche et différents minéraux) ou d ’un ensemble de systèmes co-génétiques (différents faciès ou localités dans une ensemble) est appelée: droite isochrone ou isochrone ➔ plusieurs roches d'un ensemble magmatique:

isochrone roche totale (Iso RT) ➔ plusieurs fractions minérales d'une même roche:

isochrone minérale (Iso m)

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I. b. fonctionnement du géochronomètre Rb-Sr en système clos et système ouvert Rappel: - le système et les sous-systèmes possèdent tous au départ le même rapport (87Sr/86Sr)i. - au cours du temps, les quantités de Rb diminuent (87Rb) alors que les quantités de Sr augmentent (87Sr): le rapport (87Sr/86Sr) mesuré dans un système varie, il augmente lentement. Quatre possibilités: - système/sous-système: une roche et ses minéraux - plusieurs systèmes co-génétiques: plusieurs roches ou faciès qui proviennent d ’un même magma-parent. - système clos: la roche ou les roches nous sont parvenues sans aucune modifications chimique ou thermique majeures. Le système n ’a, ni perdu ni gagné d ’éléments chimiques affectant le géochronomètre (ici Rb ou Sr). - système ouverture : la roche ou les roches ont été pertubé par un événement majeur (métamorphisme - hydrothermalisme). La boîte géochimique a subi une « réhomogénéisation isotopique ».

Cas n°1: fonctionnement en système clos dans le cas d ’une roche et de ses minéraux .

au cours du temps ...

pente de l' isochrone = α = eλt

−1

L ’isochrone présentée est une isochrone minérale: Iso-M

Cas n°2: fonctionnement en système clos dans le cas de plusieurs roches provenant d ’un même magma-parent.

RT-1 RT-2 RT-3

(87Sr/86Sr)initial = 0,700

au cours du temps ...

RT-1 RT-2 RT-3

(87Sr/86Sr)initial = 0,700

pente de l' isochrone = α = eλt

−1

L ’isochrone présentée est une isochrone Roches Totales: Iso-RT

Cas n°3: fonctionnement en système ouvert dans le cas d’ une roche et de ses minéraux .

Au cours d’un événement pertubateur, dans la roche, les éléments majeurs et en traces ne sont redistribués dans les minéraux: il n’ y a pas de fractionnement élémentaire . Par contre, les minéraux échangent en proportions respectées, les isotopes d’ un même élément chimique: il y a donc une homogénéisation isotopique. Par conséquent, la roche-mère ne conserve plus, son rapport isotopique 87Sr/86Sr initial: le géochronomètre interne de la roche a été remis à zéro au cours de cette pertubation géologique .

Géochimie, P. Vidal 1994

dans le diagramme Rb/Sr, comment cela se passe ?

pente de l' isochrone = α = eλt

−1

Attention dans ce cas, t = tmétamorphisme/hydrothermalisme. L’ isochrone minérale (Iso-M), elle permet de déterminer l’ âge de l’ événement pertubateur !

Cas n°4: fonctionnement en système ouvert dans le cas de plusieurs roches provenant d ’un même magma-parent. Au cours du temps et dans le diagramme Rb/Sr, comment cela se passe ?

Attention dans ce cas, l’ isochrone reste une isochrone Roches Totales (Iso-RT). Cette isochrone « conserve » l ’âge initial du système co-génétique (magma-parent): âge de cristallisation des roches.

pente de l' isochrone = α = eλt

−1

Quelles informations géochronologiques avons-nous obtenues ? Dans le cas de l ’isochrone minérale, Iso-M: l ’isochrone obtenue donne l ’âge de cristallisation de la roche, si le système (roche et ses minéraux) n ’ont pas été pertubé après son refroidissement (T°C de fermeture des minéraux). L ’âge est déterminé par le calcul utilisant la pente de la droite isochrone (eλt-1) et l ’ordonnée à l ’origine (87Sr/86Sr)initial. Lors d ’un événement pertubateur (métamorphisme, hydrothermalisme), les différents sous-systèmes (minéraux) sont pertubés. L ’information géochronologique initial est perdue: l’âge de cristallisation Le géo-chronomètre est remis à zéro, l’isochrone minérale donne l’âge du dernier événement pertubateur (métamorphisme).

Dans le cas de l ’isochrone Roches Totales, Iso-RT: l ’isochrone obtenue donne l ’âge de la cristallisation des roches co-génétiques (issues du même magma-parent). L ’âge est déterminé par le calcul utilisant la pente de la droite isochrone (eλt-1) et l ’ordonnée à l ’origine (87Sr/86Sr)initial. Lors d’un événement pertubateur (métamorphisme, hydrothermalisme), les différents systèmes (roches) restent non-pertubés alors que les sous-systèmes (minéraux) sont pertubés. Dans tous les cas, l’information géochronologique est conservée:

âge de cristallisation du magma parent.

II. Utilisation du géochronomètre pour la datation des roches

II. a. datations des roches magmatiques II. b. datations des roches sédimentaires

II. a. datations des roches magmatiques avec le géochronomètre Rb-Sr. Mise en place des granites dans un segment de chaîne de montagne: exemple de la Montagne Noire (Sud du Massif Central français). Au centre de la France affleure une partie importante de la chaîne hercynienne érigée pendant le Paléozoïque supérieur (entre 360 et 280 Ma). Cette zone est appelée Massif Central Français, la Montagne Noire est la terminaison méridionale de ce segment crustal ancien. Une référence internet très intéressante : http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/

Référence http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/

Référence http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/

Localisation régionale

Formée lors de l'orogenèse hercynienne, la Montagne Noire est presque exclusivement constituée de terrains paléozoïques et cristallins. Ils se répartissent grossièrement selon un axe Nord 60°. Depuis Bergeron (1888), la Montagne Noire et divisée en trois parties : 1. Le versant Nord 2. La Zone axiale 3. Le versant Sud Les travaux de synthèse montrent que les versants Nord et Sud sont un tout méta-sédimentaire (domaine occitan), transpercé par un bloc métamorphique (domaine catalan). Ce modèle s'appuie sur des considérations paléogéographiques, sédimentaires, métamorphiques.

Carte schématique de la Montagne Noire

Carte schématique de la Montagne Noire

La colonne sédimentaire: 1. Une série sédimentaire de plus de 5000 m d ’épaisseur 2. Une série très détritique (grès, marnes, flysch) avec peu de carbonates 3. Une série qui commence au Cambrien inférieur (540 mA) et se termine au carbonifère inférieur (325 mA).

Référence http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/ d’après Arthaud 1970

1. Le versant Nord s'étend du Sorézois, à Lacaune, et aux "monts de l'Est de Lacaune". C'est une série de roches sédimentaires faiblement métamorphisées affleurant en écailles à matériel Cambrien, Ordovicien et localement Silurien.

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/, (Demange 1997)

La tectonique « en écaille » du Versant Nord de la Montagne Noire

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/, (Demange 1997)

Le versant: succession d’écailles

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/

Dans le Versant Nord de la montagne Noire, on observe plusieurs massifs granitiques.

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/, (Demange 1997)

Le Massif granitique du Sidobre, intrusif à l’ Ouest du Versant Nord.

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/, (Demange 1997)

dans le Versant Nord: le granite du Sidobre, un granite intrusif

(Hamet, 1975)

Le microgranite du Folat, intrusif à l’ Est du Versant Nord.

Le granite intrusif du Folat au Nord de l’ unité de Mélagues dans le Versant Nord

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/, (Demange 1997)

dans le Versant Nord: le microgranite du Folat, un granite intrusif

(Hamet, 1975)

2. La Zone axiale est une entité granito-métamorphique constituée de:

a. gneiss b. zones granitiques c. orthogneiss.

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/, (Demange 1997)

À la périphérie de la zone axiale: les micaschistes et les gneiss

Au centre de la zone axiale: les anatexites et les granites diffus

Zone migmatitique

À la périphérie de la zone axiale: les micaschistes et les gneiss

Au centre de la zone axiale: les anatexites et les granites diffus

Le cœur de la zone axiale, en regardant vers le SW

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/

Datation Rb-Sr dans la Zone Axiale: les gneiss-anatexites sont associés aux granites.

(Hamet, 1975)

(Hamet, 1975)

3. La Montagne Noire: il existe des roches plus anciennes a. zone axiale : les orthogneiss b. versant Nord : le massif du Mendic

Les orthogneiss de la Zone Axiale

(Hamet, 1975)

Le granite du Mendic

(Hamet, 1975)

(Hamet, 1975)

De la périphérie au centre de la zone axiale, 1.  Une évolution progressive des roches sédimentaires à des roches

métamorphiques (micaschistes et gneiss), puis au coeur de la structure: le granite.

2.  le passage gneiss - granite se fait par l’intermédiaire de roches hétérogènes: les migmatites.

scénario de mise en place : Le mode de formation correspond à la fusion des roches

sédimentaires détritiques au cours du métamorphisme général (orogenèse continentale).

Les étapes sont les suivantes: roche sédimentaire - métamorphique - granite.

base de la CC d’une chaîne

http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s1/ch.montagnes.html

Dans le Versant Nord de la montagne Noire, on observe plusieurs massifs granitiques.

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/, (Demange 1997)

Le granite du Mendic « prisonnier » des grès de Marcory au Sud-Est de l’ unité d’ Avène-Mendic dans le Versant Nord

Source: http://nicolas.tormo.free.fr/geologie/, (Demange 1997)

Quelles informations, le géochronomètre Rb-Sr nous apporte-t-’il sur l’ âge de ces différents granites et la mise en place de cette mini-chaîne de montagne: la Montagne Noire ? Sur le terrain, on observe: 1. dans le versant Nord: des granites probablement anciens et des granites plutôt récents et intrusifs. 2. dans la zone axiale: un ensemble de gneiss étroitement associés à des granites (anatexites)et des orthogneiss.

magmatisme granitique et orogenèse !

Intrusions Magmatiques Fusion partielle

(Arthaud, 1970)

II. Utilisation du géochronomètre pour la datation des roches

II. b. datations des roches sédimentaires

Les roches sédimentaires sont des systèmes qui ne sont pas cogénétiques. Ils sont constitués soit: -  d’un mélange de différents sources détritiques

- d’un mélange d'une source détritique et d'une phase néoformée - d’un mélange de différents sources détritiques et d'une phase néoformée

Cependant, certaines roches sédimentaires peuvent contenir des minéraux qui présentent des rapports Rb/Sr suffisamment élevés pour permettre une datation Rb-Sr.

En effet, comment être sûr dans une roche composée en grande partie d’éléments détritiques: 1. qu’il y a au départ homogénéisation isotopique, 2. que cette roche n’a pas subi un déséquilibre métamorphique ?

Ces minéraux riches en Rb peuvent être: - soit authigènes: glauconite, minéraux argileux, adulaire, sylvinite, carnallite - soit détritiques: micas, feldspaths K, minéraux argileux.

La datation des roches sédimentaires restent à priori très difficile !

Ces minéraux sont retrouvés dans les fractions de granulométrie inférieure à 2µ. La forme polymorphique, l’illite 2M, ne se forme qu’à partir de 250°C. La présence d’illite 2M dans une roche sédimentaire indique:

- soit que la roche a subi un métamorphisme, - soit que l’illite est d’origine détritique.

2. A l’inverse, lorsque les éléments détritiques sont suffisamment préservés et résistent chimiquement et mécaniquement aux processus d’altération superficielle, on peut utiliser les méthodes isotopiques de radiochronologie pour obtenir une information sur ces témoins .

Pour pallier à ces inconvénients, on utilise :

1. Des minéraux argileux authigènes sont utilisés en géochronologie Rb-Sr (travaux de Clauer et Bonhomme, Strasbourg), il s’agit de minéraux argileux de la famile des illites: les illites 1M.

Ces informations sont : -  nature et provenance des apports détritiques -  structuration du bassin sédimentaire. Informations fondamentales dans la reconstitution paléogéographique des bassins sédimentaires. Ces minéraux résistants sont: la muscovite, le feldspath-K, les illites 2M, le zircon (attention ! méthode U-Pb).

in Principles of Isotope Geology, G. FAURE, 1977

La Montagne Noire en coupe :