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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
