Marc Poujol, Géosciences Rennes, Université Rennes 1

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1 Marc Poujol, Géosciences Rennes, Université Rennes 1 Formation FORSTERITE 2013, Bonascre - Ax-les-Thermes, 1 er 4 Octobre 2013

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3 1. Principe Chaînes de désintégration Pb -207 STABLE

4 1. Principe Equation géochronométrique: F * λ t = P ( e 1 ) Mais on ne mesure pas que les fils radiogéniques mais les fils totaux: F = F 0 + F * F = λt F0 + P( e 1)

5 1. Principe λt F = F0 + P( e 1) 206 Pb= 206 Pb U(e λ 8t 1) 206 Pb 204 Pb T = 206 Pb 204 Pb U 204 Pb (eλ 8 t 1) 207 Pb 204 Pb T = 207 Pb 204 Pb U 204 Pb (eλ 5 t 1) 208 Pb 204 Pb T = 208 Pb 204 Pb Th 204 Pb (eλ 2t 1)

6 1. Principe

7 1. Principe 206 Pb 204 Pb T = 206 Pb 204 Pb U 204 Pb (eλ 8 t 1) Ces chronomètres sont parmi les plus précis que l on puisse mettre en œuvre sur des échantillons d âge géologique raisonnablement vieux (> Ma)

8 3. La concordia les minéraux utilisés Le zircon Le zircon (ZrSiO 4 ) est un nésosilicate du système quadratique. Cristaux prismatiques allongés de zircon 1. ll est commun (même si accessoire) 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 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). 6. Température fermeture élevée (>900 c)

9 3. La concordia les minéraux utilisés Monazite (Ce, La, Th)PO 4 système monoclinique Minéral présent dans bcp de roches Permet datation de la mise en place de roches plutoniques mais aussi dans roches sédimentaires (monazites détritiques). Datation métamorphisme et circulations de fluides Pas de Pb incorporé à la cristallisation Très riche en Thorium bcp de 208 Pb Température fermeture élevée (725 c)

10 3. La concordia les minéraux utilisés Xénotime (Y, HREE) PO 4 Apparait dans les roches métasédimentaires de bas grade comme minéral détritique, diagénétique ou hydrothermal. Dans cet exemple, le xénotime s est développé en surcroissance sur des zircons détritiques (bassin du Witwatersrand (Af. du Sud) après le dépôt des sédiments (origine hydrothermale). Température fermeture élevée (>750 c)

11 3. La concordia les minéraux utilisés Baddeleyite ZrO 2 Apparait dans de nombreuses roches terrestres et lunaires, même dans météorites (achondrites). Permet en particulier de dater des roches plus sous-saturées, où le quartz est très peu exprimé et où les zircons sont absents. Donne âge de cristallisation (Temp fermeture Identique au zircon).

12 3. La concordia 2 minéraux plus riche en Pb commun Rutile TiO 2 Datation des phases hydrothermales ou information sur température de refroidissement ou calage temporelle des courbes pression-température (métamorphisme) Sphène CaTi[SiO 4 ](O, OH, F)

13 3. La concordia Modèle concordant 206 Pb* = 238 U(e λ1t -1) 207 Pb* = 235 U(e λ2t -1) 206 Pb*/ 238 U = (e λ1t -1) 207 Pb* / 235 U = (e λ2t -1) Valeurs numériques de e λ 1t - 1, e λ 2t - 1, et du rapport 207 Pb/ 206 Pb radiogénique en fonction de t. Avec λ1 = ans 1 et λ2 = ans -1

14 3. La concordia Diagramme Concordia : combinaison de 2 chronomètres = R8 Courbe = lieu où les deux chronomètres donnent le même âge = R8 = R5 = R5 Si les points sont concordants : même âge (R5=R8)

15 3. La concordia Age concordant

16 3. La concordia Since 1977 (Steiger and Jäger, 1977), we have been using the following decay constants proposed by Jaffey et al (1971) for uranium: 238 U : T ½ = ( ± ) x 10 9 a (1sigma) 235 U : T ½ = ( ± ) x 10 8 a (1sigma) Sans erreur sur les constantes de désintégration Avec erreurs sur les constantes

17 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 (alpha recoil tracks) dommages dus à la désintégration radioactive (métamictisation). 3. Le métamorphisme exacerbe les pertes en Pb. 4. Pertes hétérogènes suivant les zircons. Petits grains plus affectés que les gros. Car petits grains cristallisent à la fin (pas le temps de grandir) et vont être plus riches en U-Th (éléments incompatibles)

18 3. La concordia 1er cas: Perte en Pb récente Intercept Sup = Age de cristallisation Intercept Inf = Actuel (0 Ma) Si les points sont discordants : DISCORDIA

19 3. La concordia Un exemple : data-point error ellipses are 2σ 0,230 Sample 9d(i),(ii) , Pb/ 238 U 0, , Perte en Pb récente Intercepts at 0 & 1319 ± 3 Ma MSWD = ,214 2,50 2,54 2,58 2,62 2,66 2, Pb/ 235 U

20 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 depuis T1!!!

21 3. La concordia Pourquoi t1 et t2 peuvent donner une information géochronologique? Roche mise en place il y a 4 Ga ayant subi un métamorphisme il y a 1 Ga.

22 3. La concordia Troisième chronomètre l âge 207 Pb/ 206 Pb Notion d âge minimum R8 R5

23 3. La concordia Le diagramme Tera-Wasserburg

24 3. La concordia Le diagramme Tera-Wasserburg Deux problématiques deux utilisations Ages jeunes Présence de plomb initial Données LA-ICP-MS sur Sphène Fallourd et al., Int. Journ Earth Sci, sous presse

25 3. La concordia Importance de la concordance 0.6 data-point error ellipses are data-point error ellipses are 2Π Pb Pb U U Intercepts at 473 ± 150 & 2951 ± 33 [±34] Ma MSWD = Intercepts at 364 ± 130 & 2922 ± 18 [±20] Ma MSWD = Pb/ 235 U Pb/ 235 U

26 3. La concordia Importance de la concordance Abrasion mécanique Avant (a) Après (b)

27 3. La concordia Importance de la concordance Abrasion mécanique Effet de l abrasion et de la séparation magnétique sur la concordance des zircons

28 3. La concordia Importance de la concordance Abrasion chimique Ici, on recuit le zircon à plus de 850 C pendant 2 jours (annealing) Puis on dissous les grains par étapes (HF + HNO 3 ) à des températures de plus en plus élevées Step Leaching. Dissolution des parties endommagées (Pertes en Pb)

29 Traitement de l échantillon

30 Salle blanche Salle en surpression - Air ultrapurifié Réactifs ultrapurifiés : pollution =< picogramme (10-12 g) Préparation des échantillons : Dissolution Séparation chimique Père/Fils

31 La datation par TIMS Le must à l heure actuelle : le quadruple spike: 202 Pb- 205 Pb- 233 U- 235 U

32 Utilisation d un traceur (spike) double en 205 Pb et 235 U

33 + traceur 205 Pb, 235 U Bombe de dissolution en Teflon pur. Dissolution à 210 C pendant 60 heures avec HF + HNO 3 Chargement sur résine Puis reprise en HCl à chaud pendant 12 heures Récupération du Pb et de l uranium

34 Salle blanche Séparation chimique Père / Fils Ech en HCl 3.1 N and U HCl 6.2 N U reste recovery U H 2 0 and U Pb Beaker 2 Pb+U

35 Salle blanche Préparation pour le passage au spectromètre de masse Filament Re ultrapur Quantité chargée sur le filament : qques ng à qques pg d'élément

36 Principes de la spectrométrie de masse Un peu comme un rayon de lumière à travers un prisme Mais dans notre cas Rayon = Faisceau d ions Différentes longueurs d ondes= différentes masses Prisme = Electro-aimant 208 Pb 207 Pb Pb Electro aimant 206 Pb 204 Pb Collecteurs Source

37 Multi-collecteurs 17 % relative mass range

38 Why Ion Counting? 1 mv Faraday signal ca cps on IC

39 D où viennent les erreurs? Quatre facteurs d erreurs principaux: La discrimination de masse L erreur sur la mesure elle même La correction du Pb et de l U du «blanc» La composition isotopique du Pb initial Zircon «vieux» Très peu de Pb commun Zircon «+ jeune» un peu de Pb commun Err sur 206/204 choisi pour le blanc Err sur DM U Err R65 mesuré Err sur 206/204 mesuré Err R85U spike Err sur DM Pb Leur contribution relative sur l âge final dépend de la nature du minéral et de ses caractéristiques Zircon «jeune» Pbme du Pb commun Sphène bcp Pb commun Err sur comp en Pb initiale Err sur estimation qtité Pb du blanc

40 4. La datation ponctuelle Cas simples : Granite Pas de problèmes pour les dater en méthode ID-TIMS Rhyolite Cas complexes : Granulite Granite S (C) provenant de la fusion de métasédiments Cœur hérité Impossible à dater au TIMS Surcroissance

41 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS Laser : T. Maiman (1960) «Stimulated optical emission in Ruby». Nature, 187, Quelques chiffres : En 1995, 400 publications en 2010, 2800 publications (mots clés LA-ICP-MS ou LA-ICPMS) Recherche sur toutes les années : Avec Topic=(SIMS) OR Topic=(SHRIMP) AND Topic=(dating) 3000 publications avec Topic=(LA-ICP-MS) OR Topic=(LA-ICPMS) AND Topic=(dating) 1800 publications

42 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS LA ICP-MS Laser Ablation Inductively Coupled Mass Spectrometry 1 système d ablation laser ICP-MS HR Secteur magnétique

43 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS 266 nm 213 nm (Nd:YAG) 193 nm (Excimer) Gonzales et al., 2002 Bruguier, 2009 <5 Verres de + en + clairs

44 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS Quel est le laser idéal? Celui qui produit le plus d ionisation du matériel ablaté avec l énergie la plus basse et la meilleure résolution spatiale tout en limitant le fractionnement. Donc il faut qu il: Réduise la fusion Réduise l arrachage de fragments Réduise la formation d un plasma Favorise l ionisation des atomes Faible pénétration dans échantillon Ce qui se traduit par: Utilisation de l He (limite la formation de plasma) Optimiser le diamètre d ablation Limiter le fréquence de tir (max 5Hz) Limiter la puissance de tir good Not so good bad Very bad Exemple : sur monazites Laser Excimer NWR193UC - Diamètre 5 micron - Fréquence 1Hz - puissance 7J/cm 2 Darling et al., 2012

45 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS

46 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS Quel est l ICP-MS idéal? Interférences de Masse et Pouvoir de résolution. Dans le cas d analyse ponctuelle, on ne sépare pas les éléments constitutifs des minéraux (contrairement à l ID-TIMS) problèmes d interférence isobariques ou moléculaires 206 Pb : 174 Hf + 2 x 16 O -> masse Pb M = Hf 16 O 2 M = x = R = Résolution (de masse) Ici: R=206/( ) = R= 4682 Mais avec ICP quadripole R~1 Important : Limiter le taux d oxydes!!

47 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS Quel est l ICP-MS idéal? Le problème du Pb commun Ar utilisé pour produire le plasma contient du mercure en trace 202 Hg et 204 Hg Avec ICP-MS quadripole, impossible de différencier l un de l autre Interférence avec le 204 Pb Difficile de corriger du Pb commun La parade : MC-ICP-MS Poujol et al., 2010

48 4. La datation ponctuelle Le problème des standards Avec la technique ID-TIMS, on utilise un traceur pour déterminer la concentration en Pb et en U Pour l analyse ponctuelle, il faut agir différemment -Utilisation de la technique de bracketing : Avant et après chaque analyse de 5 à 10 minéraux d âge inconnu, on a analyse un (ou plusieurs mineral(aux) standard(s) d âge(s) connu(s). On paramètre alors les données obtenues sur le standard et on applique cela aux minéraux inconnus.

49 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS Quel est l ICP-MS idéal? Le problème des standards Globalement deux approches sont suivies : 1. La plus utilisée : Standardisation externe -Hétérogénéité des résultats -Pas de standards anciens (Paléo-Protérozoïque ou Archéen) -Pas de standards pour certains minéraux -Certains «standards» n ont pas été validés par ID-TIMS -Intercomparaison

50 4. La datation ponctuelle LA-ICP-MS Quel est l ICP-MS idéal? Le problème des standards Globalement deux approches sont suivies : 2. La Standardisation interne Injection d une solution dopée en Tl (203 et 205), Bi (209), U (233), Np (237) - Masses voisines du Pb et de l U et Th - Comportement de ces éléments est il identique au Pb, U et Th? - Lourd à mettre en œuvre - Obligation de contrôler la standardisation avec des standards externes

51 4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS 2.5 cm

52 4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS He He + Echant Un (très) gros progrès : les cellules d ablation à deux volumes 100mm 100mm

53 4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS Ar (~ 0.85 l/min ) N (~ 4 ml/min) Homogénéisateur Vers ICPMS 800 ml/min

54 4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS He+Ar+N+échantillon Renforcement du vide à l interface NB : Ajout N dans le gaz de transport + Augmentation vide interface +350% de signal pour les masses lourdes Typiquement M + ou M 2+

55 4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS 20 sec sec Dépend de la cellule (Rennes 1 sec) Par ICP Quad : 204 (10ms) 206 (10ms) 207 (30ms) 208 (10ms) 232 (10ms) 238 (10ms) Système Rennes : ICP Agilent 7700x Laser : ESI NWR193UC

56 Analyse LA-ICP-MS versus analyse ID-TIMS - Les pour et les contre -

57 Accès à plus d information Moins de précision Obtention de plus de points en moins de temps et à moindre coup Anhaeusser et Poujol, 2004, S Afr J Geol

58 Datation du métamorphisme Possibilité de dater des minéraux in situ en contexte dans la lame mince ou épaisse meilleur contrôle de ce que l on date Diener et al., 2005, Precambrian Research

59 Travailler en contexte dans la lame mince Datation du métasomatisme 1. Repérer les zones favorables 2. Imagerie MEB et EPMA ref1 ref2 LPNA ref3 LPA Marquer trois points de référence sur lame mince Noter coordonnées X,Y des points de référence et des minéraux Poujol et al. 2010

60 Travailler en contexte dans la lame mince Datation du métasomatisme 3. Repérer points de références, noter coordonnées avec le laser 4. Convertir les coordonnées du MEB dans le référentiel du laser 5. Analyser 99+/-5 Ma 113+/-18 Ma 95+/-5 Ma Poujol et al. 2010

61 Datation du volcano sédimentaire Blanchard et al., 2013

62 Datation des minéraux détritiques Kydonakis et al., Gondwana Research, sous presse 120 analyses sur 102 grains en 4 heures de temps machine