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Les méthodes de datations du Quaternaire

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Introduction

Applications

I. Isotopes radiogéniques –isotopes cosmogéniques

II. Les traces de fission sur apatites

III. Datations par luminescence

I. Les isotopes radiogéniques – Isotopes Cosmogéniques

1. Introduction – Rappels

2. Différents nucléides cosmogéniques

2.1. Le 14C2.2. Le 10Be

Définition : Eléments chimiques de même numéro atomique (et donc de même nom et de même position dans la classification de Mendeleïev), mais qui diffèrent par leur masse atomique.

Foucault et Raoult, 2003

I.1. Introduction - Rappels

I.1. Introduction - Rappels

Equation de la radioactivité : Nt = N0 e –λt

où N0 : Nombres d’atomes de l’élément père à l’instant initial (non déterminable)

Nt : Nombre d’éléments fils (déterminable) présents à la date tλ : constante radioactive (s -1)

Les nucléides cosmogéniques produits dépendent du type de composition minérale de la roche

Temps de demi-vie

10Be 1,5.106 ans26Al 7,2.105 ans36Cl 3.105 ans14C 5730 ans7Be 53,17 jours

Equation de la demi-vie : t = ln2/λ

Le taux de production des isotopes est fonction :- de la latitude- l’altitude- la profondeur densité du matériel- angle d’incidence-masques de la topographie

Valeur de pénétration Λ : 160 g.cm-2

L : 1300 g.cm-2

Exemple : Pour une roche de densité d = 2.6 g.cm-3 alors on a z = 60 cmPour une roche de densité d = 1.5 g.cm-3 alors on a z > 1m

I.2. Les différents nucléides cosmogéniques

I.2.1. Le 14C

Plus anciennement pratiquéRéaction entre particules cosmiques/azote14C oxydé gaz carbonique 14CO2Assimilation par les plantesAges fournis sont en BP (année de référence 1950)

3 phénomènes de contrôle :- flux de particules cosmiques incidentes- intensité du champ magnétique terrestre- échanges entre les réservoirs de Carbone

«Dérive du 14C» correction et calibration

La dendrochronologie

Anneaux de croissance

Développé par A. Douglass (USA)

Largeur de l’anneau est fonction de

-températures

-précipitations

Limitations:

- Enregistrement de référence

- Périodes glaciaires

Fiabilité des différents types d’échantillons?

- matériaux organiques : arbres à durée de vie longue

- matériaux carbonatés : recristallisation secondairecoquille marine, coquille lacustreconcrétion calcaire : impropre à la datation

- mollusque terrestre : formation de la coquille

- œufs d’oiseaux : graviers de carbonate

I.3. Le 10Be (Beryllium)

Utilisation du QuartzRapport entre 9Be et 10BeTravail de préparation d’échantillon long et calibréPassage au spectromètre de masse

Spectromètre de masse ASTER, CEREGE, Aix-en-Provence

Les principales équations à connaître

Taux de production des cosmonucléides en surface :

30 ).(²).().()(),( zLdzLczLbLazLP +++=

Avec:P0 : taux de production en surface (at/g/an)L : latitude (°)z: altitude (km)a,b,c,d: coefficients fonction de L

Atténuation théorique en fonction de la profondeur

Λ−

×=x

ePxP.

0)(ρ

Avec :P(x): taux à la profondeur x (at/g/an)P0: taux de production en surface (at/g/an)ρ : densité du matériel (g/cm3)Λ: coefficient de pénétration (150 g/cm3)

Evolution temporelle de la concentration en 10Be en profondeur pour un profil avec héritage N0

Problème de l’héritage!

Equation différentielle prenant en compte les pertes et l ’érosion

Pour résoudre cette équation : ε et rayonnement cosmique sont constants au cours du temps

Λ−

+−∂

∂×=

∂∂ x

ePtxCx

txCt

txC .

0.),(),(),( ρ

λε

Avec:C : concentration du 10Be (at/g)x: profondeur (cm)t: temps (an)λ: constante de décroissance radioactive (4,67.10-7/an)ε: taux d’érosion (g/cm²/an)

Détermination du taux d’érosionEn utilisant une surface à l’état d’équilibre

Détermination de l’âge minimum

En utilisant une érosion nulle

Λ×−−∞

= )),0(

(0

0 λεCC

P

)/(_:)/('__:),0(

0 gatinitialeionconcentratCgatéquilibresurfaceàldeionconcentratC ∞

)),0(.1(1

0min P

tCLnt λλ

−×−=

Evolution théorique de la concentration en 10Be avec le temps d’exposition pour différents taux d’érosion

Stratégie de type statistique : collecte de roche en surface en tenant compte de la localisation, la géométrie et l’altération. Permet de déterminer la concentration superficielle moyenne d’une surface.

Stratégie de type profil : prélèvement d’échantillons le long d’un profil en profondeur. Permet de comparer la distribution en profondeur avec la loi de décroissance.

Stratégies d’échantillonnage

Etudes de Cas

Bigot et al, 2007

408 571200

512 377130

827 97075

1 557 97135

1 665 509 10

2 080 0520

10Be (at/g)Profondeur (cm)

Présenter la répartition du 10Be en fonction de la profondeur.

Discuter le graphique

Calculer l’âge minimum grâce à l’échantillon de surface avec P0 = 18.33 at/g/an et λ=4.67.10-

7 an-1

Ritz et al, 2007

S1 ~ 80 kaDéduire la vitesse à long terme grâce à la surface1 ?

Ritz et al, 2006

II. Thermochronologie traces de fission (sur apatite)

1. Principe de formation des traces de fission2. Concept de la Zone Partielle d’Elimination (ZPE)3. Détermination du paramètre Np4. Le zéta

Cristaux d’apatite non taillés

1. Principe de formation des traces de fission.

Cristal d’apatite agrandi au microscope et traces de fission spontanées.

2.Concept de Zone Partielle d’Elimination (ZPE) ou Partial Annealing Zone (PAZ).

Influence de la température sur la cinétique des traces de fission

Vitesse d’effacement est fonction:-Axe cristallographique

(convention axe <c>)-Rapport Cl/F des apatites-Teneur en Terre Rares-Evolution thermique

)1( −= tPD eNN λ

Détermination indirecte du paramètre NPDétermination de NDDétermination de t

Avec :ND: nombre d’atomes fils (nb traces spontanées)NP: nombre d’atomes pèresλ : constante de désintégration totale

Principe de la méthode « external-detector »

3.Détermination du paramètre Np

Grains d’apatites avec des traces spontanées , et leurs « images »symétriques, produites par la production de traces induites sur le détecteur externe (feuille de mica)

φσ ...INpNi =Ni: nombres de traces de fission induites I : rapport de 238U/235U =7,2527.10-3

σ: section de capture neutronique de 235U(nb de neutrons/cm²)Φ: fluence des neutrons thermiques(nb de neutrons/cm²/unité de temps)

l’âge peut être alors calculé

]1ln[.1+=

P

D

NNt

λ

4. Le zéta ζ : affecte la détermination de l’âge

Calculé par le rapport entre densité de traces spontanées sur la densité de traces induites dans un standard d’âge connu

Le zéta est propre à chacun, mis à jour régulièrement

Altitude en fonction des âges centraux

Altitude en fonction de la longueur des traces

Début d’activité de la faille de Bogd

Saut d’activité de la faille de Bogd

III. Datations par luminescence

1. Modèle des bandes2. Principes de la méthode3. La thermoluminescence (TL)4. La Luminescence optique (OSL)

III.1. Modèle des bandes

1. Lors de l’ionisation électron et trou piégés2. L’énergie s’accumule pendant la durée de stockage3. En éclairant ou en chauffant, on libère l’électron. Il se recombine

avec un centre luminogène d’où émission de lumière.

Quantité de lumière émise est proportionnelle à la quantité de charges piégées (dose reçue)

Supposition d’irradiationnaturelle constante dans le temps

Datation 0 à 300 ka

Erreur commise ~10%

Précision : dose environnementale

Quartz et feldspaths

III.2. Principes de la méthode

III.3. La Thermoluminescence (TL)

Utilisation en archéologie, expertise d’œuvre d’art (céramique)

Apport d’énergie : thermique

Age TL = Dose archéologique/ Dose environnementale

Détermination de la dose environnementale

Exemple de résultats fournis

Différence entre signal TL du quartz et du feldspath

Limites de la méthode

durée depuis le dernier temps de chauffe matériel doit contenir quartz, feldspaths ou zircon«capacité d’emmagasinage» des minéraux : 700 000 ans

Roches ignées ( volcans)Calcite (stalagmites)LoessDunesCratères de météorites

PoteriesTerre-cuiteSculpture en terre-cuiteFoursPierres bruléesOutils et silex chauffés

GéologieArchéologie

III.4. L’Optically Stimulated Luminescence (OSL)

Le principal avantage : grande sensibilité du signal dater de très jeunes échantillons.

Méthodes de prélèvements

Prélèvement pour la dose équivalente(equivalent dose)

Prélèvement pour la dose environnementale(dose rate)

Méthode de prélèvement sous couverture

Matériel nécessaire

Appareillage

Différence entre signal OSL du quartz et du feldspath

Histogramme de la fréquence de répartition

Erreur relative simulée

Bailey et al, 2006

Les différences entre nature d’échantillons

Problème des échantillons mal blanchis

Le chevauchement de Sabzevar, Nord-est de l’IranFattahi et al, 2006

Échantillon S6

Un gigantesque glissement de terrain, MongolieBalescu et al, 2007