Formation FORSTERITE 2013, Bonascre - Ax-les

Marc Poujol, Géosciences Rennes, Université Rennes 1
Formation FORSTERITE 2013, Bonascre - Ax-les-Thermes, 1er – 4 Octobre 2013
1. Principe
Chaînes de désintégration
Pb -207
STABLE
1. Principe
Equation géochronométrique:
λt
=
F
P (e − 1)
*
Mais on ne mesure pas que les fils radiogéniques mais les fils totaux:
F = F0 + F*
F = F0 + P(e λt − 1)
1. Principe
F = F0 + P(e λt − 1)
206
Pb= 206 Pb0 + 238 U(e λ 8 t −1)
 206 Pb   206 Pb 
 204  =  204  +
 Pb T  Pb  0
 207 Pb   207 Pb 
 204  =  204  +
 Pb T  Pb  0
 208 Pb   208 Pb 
 204  =  204  +
 Pb T  Pb  0
238
U λ8t
(e −1)
204
Pb
235
U λ5t
(e −1)
204
Pb
232
Th λ 2 t
(e −1)
204
Pb
1. Principe
≠
≠
≠
≠
1. Principe
 206 Pb   206 Pb 
 204  =  204  +
 Pb T  Pb  0
238
204
U λ8t
(e −1)
Pb
Ces chronomètres sont parmi les plus précis que l’on puisse mettre en œuvre
sur des échantillons d’âge géologique raisonnablement vieux (> Ma)
3. La concordia – les minéraux utilisés
Le zircon
Le zircon (ZrSiO4) 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)
3. La concordia – les minéraux utilisés
Monazite (Ce, La, Th)PO4
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 208Pb
Température fermeture élevée (725°c)
3. La concordia – les minéraux utilisés
Xénotime (Y, HREE) PO4
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)
3. La concordia – les minéraux utilisés
Baddeleyite ZrO2
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).
3. La concordia – 2 minéraux plus riche en Pb commun
Rutile TiO2
Datation des phases
hydrothermales ou information
sur température de refroidissement
ou calage temporelle des courbes
pression-température (métamorphisme)
Sphène CaTi[SiO4](O, OH, F)
3. La concordia
Modèle concordant
= 238U(eλ1t -1)
207Pb* = 235U(eλ2t -1)
206Pb*
Valeurs numériques de eλ1t - 1, eλ2t - 1, et du rapport
= (eλ1t -1)
207Pb* / 235U = (eλ2t -1)
206Pb*/ 238U
207Pb/206Pb
radiogénique en fonction de t.
Avec λ1 = 1.55125 10−10 ans−1et λ2 = 9.8485 10−10 ans-1
3. La concordia
= R8
Diagramme Concordia : combinaison de 2 chronomètres
= R8
Courbe
= lieu où les deux
chronomètres donnent le
même âge
= R5
= R5
Si les points sont concordants : même âge (R5=R8)
3. La concordia
Age concordant
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:
238U
: T½ = (4.4683 ± 0.0024) x 109 a (1sigma)
235U : T = (7.0381 ± 0.0048) x 108 a (1sigma)
½
Sans erreur sur les constantes de désintégration
Avec erreurs sur les constantes
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)
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
3. La concordia
Un exemple :
data-point error ellipses are 2σ
0,230
Sample 9d(i),(ii)
1330
1320
0,226
206
Pb/
238
U
1310
1300
1290
0,222
Intercepts at
0 & 1319 ± 3 Ma
1280
MSWD = 0.62
0,218
Perte en Pb récente
0,214
2,50
2,54
2,58
2,62
207
Pb/
235
U
2,66
2,70
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 !!!
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.
3. La concordia – Troisième chronomètre – l’âge 207Pb/206Pb
Notion d’âge minimum
R8
R5
3. La concordia – Le diagramme Tera-Wasserburg
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
3. La concordia – Importance de la concordance
data-point error ellipses are 2
0.6
data-point error ellipses are Π
2
0.7
2800
3000
0.6
2600
0.5
2800
2400
2600
0.5
206
Pb
238
U
206
2200
0.4
Pb
238
2000
U
2400
2200
0.4
2000
0.3
Intercepts at
473 ± 150 & 2951 ± 33 [±34] Ma
MSWD = 8.7
Intercepts at
0.3
364 ± 130 & 2922 ± 18 [±20] Ma
MSWD = 10.9
0.2
0.2
5
7
9
11
207
Pb/
13
235
U
15
17
5
7
9
11
13
207
Pb/
15
235
U
17
19
21
3. La concordia – Importance de la concordance
Abrasion mécanique
Avant (a)
Après (b)
3. La concordia – Importance de la concordance
Abrasion mécanique
Effet de l’abrasion et de la séparation magnétique sur la concordance des zircons
3. La concordia – Importance de la concordance
Ici, on recuit le zircon à plus de 850°C
pendant 2 jours (annealing)
Puis on dissous les grains par étapes
(HF + HNO3) à des températures de
plus en plus élevées … Step Leaching.
Abrasion chimique
Dissolution des parties
endommagées (Pertes en Pb)
Traitement de l’échantillon
Salle blanche
Salle en surpression - Air ultrapurifié
Réactifs ultrapurifiés : pollution =< picogramme (10-12 g)
Préparation des échantillons :
Dissolution
Séparation chimique Père/Fils
La datation par TIMS
http://www.earth-time.org/
Le must à l’heure actuelle : le quadruple spike:
202Pb-205Pb-233U-235U
Utilisation d’un traceur (spike) double en 205Pb et 235U
Dissolution à 210°C pendant 60 heures
avec HF + HNO3
+
traceur
205Pb, 235U
Bombe de dissolution
en Teflon pur.
Chargement sur résine
Puis reprise en HCl à chaud pendant
12 heures
Récupération du Pb et de l’uranium
Salle blanche
Séparation
chimique Père / Fils
recovery
Ech en HCl
3.1 N
HCl 6.2 N
U
H20
and U
U reste
and U
Pb+U
Pb
Beaker 2
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
Principes de la spectrométrie de masse
Un peu comme un rayon de lumière à travers un prisme
Mais dans notre cas …
Différentes longueurs d’ondes=
différentes masses
Rayon =
Faisceau d’ions
Prisme = Electro-aimant
208Pb
207Pb
206Pb
Electro aimant
204Pb
Pb
Collecteurs
Source
Multi-collecteurs
17 % relative mass range
Why Ion Counting ?
1 mV Faraday
signal
ca. 60.000 cps on IC
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 R85U
spike
Err R65
mesuré
Err sur 206/204 mesuré
Leur contribution relative sur l’âge final
dépend de la nature du minéral et de
ses caractéristiques
Err sur
DM Pb
Zircon « jeune »
Pbme du Pb commun
Sphène  bcp Pb commun
Err sur comp en Pb
initiale
Err sur estimation qtité Pb du blanc
4.  La datation ponctuelle
Cas simples :
Granite
Pas de problèmes
pour les dater en
méthode ID-TIMS
Rhyolite
Granite S (C)
provenant
de la fusion de
métasédiments
Cas complexes :
Granulite
Cœur
hérité
Surcroissance
Impossible à dater
au TIMS
4. La datation ponctuelle – LA-ICP-MS
Laser : T. Maiman (1960) « Stimulated optical emission in Ruby ». Nature, 187, 493-494.
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
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
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
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/cm2
Darling et al., 2012
4. La datation ponctuelle
LA-ICP-MS
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
206Pb
174Hf
:
M = 205.974449
206Pb
174Hf16O
+ 2 x 16O -> masse 206
2
M = 173.940065 + 2 x 15.994915 = 205.929895
R = Résolution (de masse)
Ici:
R=206/(205.974-205.930)
=
R= 4682
Mais avec ICP quadripole R~1
Important : Limiter le taux d’oxydes !!
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… 202Hg et 204Hg
Avec ICP-MS quadripole, impossible
de différencier l’un de l’autre
Interférence avec le 204Pb
Difficile de corriger du Pb commun
La parade : MC-ICP-MS
Poujol et al., 2010
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….
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
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
4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS
2.5 cm
4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS
He
He + Echant
100mm
Un (très) gros progrès : les cellules d’ablation à deux volumes
100mm
4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS
Ar (~ 0.85 l/min )
N (~ 4 ml/min)
Homogénéisateur
Vers ICPMS
≈ 800 ml/min
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 M2+
4. La datation ponctuelle - LA-ICP-MS
Par ICP Quad :
≈ 60-70 sec
≈ 20 sec
Système Rennes :
ICP Agilent 7700x
Laser : ESI NWR193UC
Dépend de la cellule
(Rennes 1 sec)
204 (10ms)
206 (10ms)
207 (30ms)
208 (10ms)
232 (10ms)
238 (10ms)
Analyse LA-ICP-MS versus analyse ID-TIMS
- Les pour et les contre -
•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
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
Travailler en contexte dans la lame mince
1. Repérer les zones favorables
Datation du métasomatisme
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
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
99+/-5 Ma
5. Analyser
113+/-18 Ma
95+/-5 Ma
Poujol et al. 2010
Datation du volcano sédimentaire
Blanchard et al., 2013
Datation des minéraux détritiques
Kydonakis et al., Gondwana Research, sous presse
120 analyses sur 102 grains en 4 heures de temps
machine…