Géochronologie et géochimie 1 Licence 2
Géochronologie et géochimie 1
Licence 2
Géochronologie et géochimie 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
Géochronologie et géochimie 3
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
Géochronologie et géochimie 4
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
Géochronologie et géochimie 5
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
Géochronologie et géochimie 6
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
Géochronologie et géochimie 7
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
Géochronologie et géochimie 8
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….
3. La méthode Sm/Nd – La méthode isochrone
Géochronologie et géochimie 9
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.
3. La méthode Sm/Nd – La méthode isochrone
Géochronologie et géochimie 10
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
Géochronologie et géochimie 11
MODELE CHONDRITIQUE
Matériel le plus primitif du SS := REFERENCE PRIMAIRE
3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique
Géochronologie et géochimie 12
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
3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique
Géochronologie et géochimie 13
Normalisation aux chondrites(spectres de REE)
Grandes famillesCourbes plus lisses
3. La méthode Sm/Nd – Le modèle chondritique
Géochronologie et géochimie 14
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
Géochronologie et géochimie 15
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.
3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle
Géochronologie et géochimie 16
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
3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle
Géochronologie et géochimie 17
iCHUR
iEch Nd
Nd
Nd
Nd
144
143
144
143
3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle
Géochronologie et géochimie 18
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
3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle
Géochronologie et géochimie 19
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
3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle
Géochronologie et géochimie 20
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.
3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle
En combinant les deux…
Géochronologie et géochimie 21
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!
3. La méthode Sm/Nd – L’age modèle
Géochronologie et géochimie 22
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
Géochronologie et géochimie 23
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
Géochronologie et géochimie 24
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
Géochronologie et géochimie 25
Rapports isotopiques du Nd : 143Nd/144Nd
riNd<CHOND
riNd>CHOND
3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr
Géochronologie et géochimie 26
Rapports isotopiques 87Sr/86Sr et 143Nd/144Nd
143Nd/144Nd
87Sr/86Sr
CHOND.
0.70475
0.512638
RESIDUSFP
LIQUIDES
3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr
Géochronologie et géochimie 27
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.
3. La méthode Sm/Nd – Couplage avec le Rb/Sr
Géochronologie et géochimie 28
La méthode U/PbPrincipeAges isochrones Th-Pb et U-PbIsochrone Pb-Pb.La concordiaLa sonde ionique: une datation ponctuelleQuelques exemples
Plan
Géochronologie et géochimie 29
Chaînes de désintégration
Pb -207STABLE
1. Principe
Géochronologie et géochimie 30
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
Géochronologie et géochimie 31
1. Principe
Géochronologie et géochimie 32
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
Géochronologie et géochimie 33
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
Géochronologie et géochimie 34
)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
2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb
Géochronologie et géochimie 35
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!
2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb
Géochronologie et géochimie 36
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”.
2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb
Géochronologie et géochimie 37
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
2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb
Géochronologie et géochimie 38
Mais attention…
238U/204Pb
2. Ages isochrones Th/Pb et U/Pb
Géochronologie et géochimie 39
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 Th/Pb et U/Pb
Géochronologie et géochimie 40
La stratégie de datation se fera en fonction du type de minéral
CONCORDIA Datation Pb-PbISOCHRONES U/Pb & Th/Pb
2. Ages isochrones Pb/Pb
Géochronologie et géochimie 41
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
2. Ages isochrones Pb/Pb
Géochronologie et géochimie 42
206Pb/204Pb 207Pb/204Pb 208Pb/204Pb
9.306 +/-8 10.298+/-9 29.476+/-31
A t = 4.56 G a
2. Ages isochrones Pb/Pb
Géochronologie et géochimie 43
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
2. Ages isochrones Pb/Pb
Géochronologie et géochimie 44
Galènes (PbS): pas d’U, composition isotopique gelée à la formation du gisement.
2. Ages isochrones Pb/Pb
Géochronologie et géochimie 45
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
Géochronologie et géochimie 46
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
Géochronologie et géochimie 47
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
Géochronologie et géochimie 48
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
Géochronologie et géochimie 49
Age concordant
= R5
= R8
Pas dans la nature (expérimental)
lieu des discordias
3. La concordia
Ech. concordants
Géochronologie et géochimie 50
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
Géochronologie et géochimie 51
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
Géochronologie et géochimie 52
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
Géochronologie et géochimie 53
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???
Géochronologie et géochimie 55
Effet de l’abrasion et de la séparation magnétique sur la concordance des zircons
3. La concordia
Géochronologie et géochimie 56
4. La datation ponctuelle
La sonde ionique SIMS
Géochronologie et géochimie 57
Des possibilités considérables!
4. La datation ponctuelle
Géochronologie et géochimie 58
Exemple: Les plus vieux minéraux terrestres Ouest AustralieT = 4.4 Ga +/- 4 Ma
Wilde et al., 2001
4. La datation ponctuelle
Géochronologie et géochimie 59
Diagramme représentant des grains de zircon dans des métasédiments à faciès granulite au Sri Lanka.
4. La datation ponctuelle