Géomorphologie quantitative(suite

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  • cours - matière potentielle : du refroidissement de la roche au passage de la température de clôture
  • cours - matière potentielle : du temps
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1Géomorphologie quantitative (suite) Jacques Déverchère UBO – Brest Partie N°2 Licence S5 2011-2012 UE « Tectonique et Tectonophysique » Plan • 3. Datations: méthodes, intérêt – A. Présentation des méthodes et des « horloges » – B*. Méthodes biogéochimiques: dendro- et téphro-chronologie – C. Méthodes radio-isotopiques – D. Méthodes cosmogéniques – E. Traces de fission sur apatite * Voir:
  • défauts des cristaux de quartz
  • diminution fréquente du taux de croissance avec le temps no
  • traces de fission sur apatite
  • calibration par datation des dépôts du carbonate de calcium
  • température de clôture
  • datations
  • datation
  • temps
  • méthodes
  • méthode
Publié le : mardi 27 mars 2012
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UE « Tectonique et Tectonophysique »
Partie N°2
Licence S5
2011-2012
Géomorphologie
quantitative (suite)
Jacques Déverchère
UBO – Brest
Plan
• 3. Datations: méthodes, intérêt
– A. Présentation des méthodes et des « horloges »
– B*. Méthodes biogéochimiques: dendro- et téphro-chronologie
– C. Méthodes radio-isotopiques
– D. Méthodes cosmogéniques
– E. Traces de fission sur apatite
* Voir: http://paleolithique.free.fr/dossier/datation/
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3. Datations: Méthodes, intérêt
3A. Présentation des méthodes et des horloges
-- DDaattaattiioonnss rreellaattiivveess ((sseemmii--qquuaannttiittaattiivveess))
-- PPaass dd’’ââggee ddoonnnnéé –– ssuurrffaacceess ppoossiittiioonnnnééeess eenn rrééfféérreennccee àà uunnee aauuttrree
- Exemples: mesures de vitesses, densité, épaisseurs d’altération, indicateurs pédogéniques
- Datations absolues:
- Principe: processus se produisant à un taux régulier (horloge)
- Enregistrements possibles:
-- PPhhyyssiiqquueess:: aannnneeaauuxx ddee ccrrooiissssaannccee bbiioollooggiiqquueess,, ggééoollooggiiqquueess ((vvaarrvveess))
- Horloges atomiques- Horloges atomiques
- Horloges cosmiques
- ou les deux
- Concept des horloges atomiques:
- Décroissance spontanée d’atomes parents par fission
- Le nombre d’atomes parents N dépend du temps, du nombre d’atomes initial N et de la 0
constante de désintégration :constante de désintégration :
-- ttNN == NN ee00
- Notion de demi-vie: N = N /2 -> t = 0.693/ (car e = 2.718)0 1/2
- Datations absolues, quelques méthodes courantes:
Méthodes Gamme d’âges Matériaux
Bio-géochimiques
Dendrochronologie ~10 ka, selon chrono. locale Bois
Téphrochronologie 0- plusieurs Ma Cendres volcaniques
Paléomagnétiques
Sédiments, coulées volcaniquesInversions > 700 ka
Sédiments finsVariations séculaires 0-700 ka
Radio-isotopiques
14C 35 ka Bois, coquillages
U/Th 10-350 ka Carbonates (coraux, spéléothèmes)
Thermoluminescence 30-300 ka Quartz
Luminescence optique 0-300 ka Quartz
Cosmogéniques
10Be, 26Al 3 à 4 Ma Quartz
He, Ne illimitée Olivine, quartz
36Cl 0-4 Ma
2- Dendrochronologie
- Principe: Changement de densité du bois
en fonction des saisons
- « Séries temporelles » bâties par
compilation d’arbres vivants et morts et
recouvrement des échelles de temps par
régions « climatiques »
- Diminution fréquente du taux
de croissance avec le temps
- Recherche possible d’événements
passés (éruptions surtout, inondations) par
corrélation des séries temporelles issues
des anneaux externes d’arbres fossiles
NO Pacifique – pins Douglas
Climat
local
Séries
temporelles
Laboratoire de dendrochronologie
Université de Liège
Voir: http://www2.ulg.ac.be/dendro/
Et aussi:
http://www.lrd.ch/
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14- Datations radio-isotopiques: Radiocarbone ( C)
- Méthode la plus utilisée pour les
âges inférieurs à 40 000 ans
Activité initiale (mort de la plante)
- Atmosphère: mélange par interaction de
radiations cosmiques avec l’azote N ->
« réservoir » où l’abondance relative est:
12- C = 98.9 %
13- C = 1.1 %
14 -10 - C = 1.17 10 %
- Plantes: (1) Fixation du CO par photosynthèse 2
-> carbone organique reproduit ces rapports
isotopiques
(2) Mort: Fermeture du système -> début
de la désintégration (t )0
- 2 méthodes de mesure :
- Méthode 1 (classique): Désintégration :
14 14C devient N en émettant un électron -> Mesure de
l’activité A -> Accès au temps t0
Problème: l’incertitude sur les âges devient
grande pour les faibles activités
14Ex.: Après 7 ½ vies (~40 ka), C restant < 1% -> passage de 15
APPLICATION: Faire courbe de décroissance de désint./mn à 7 désint./heure -> Mesure difficile car pollution par
14concentration du C en fonction du temps (T = 5735 radiation cosmique actuelle!1/2
ans
- Méthode 2 (récente): Spectrométrie de masse (AMS = Accelerator Mass Spectrometry):
Carbone mesuré par son poids isotopique (et pas par sa radioactivité)
-> Taille des échantillons peut décroître jusqu’au milligramme
14 12-> C/ C mesuré -> Datations possibles jusqu’à ~50 ka au mieux t = log(N /N)/0
Problème: Méthode plus précise mais plus chère!
- Autres sources d’incertitude :
14 12 14- Rapport C/ C : variations temporelles du taux de production de C par radiation cosmique - Causes
d’incertitude liées aux variations du flux de rais cosmiques:
- Variations bien connues dans les dernières décennies seulement!
- Pour des âges jusqu’à – 10 ka: calibration par mesure dans les anneaux de croissance du bois
- Pour des âges plus anciens: calibration par datation des dépôts du carbonate de calcium (coraux)
en utilisant AMS et U/Th
- connaissance parfois imprécise ou ambiguë des taux passés en raison des fluctuations
14temporelles importantes du taux de production de C -> Recouvrements
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b
b
b
- Datations radio-isotopiques: Datation Uranium / Thorium
Demi-vies en années- Plusieurs isotopes générés à taux variés
- Eléments « fils » ultimes des chaînes:
isotopes du Plomb
- Désintégrations indépendantes de la
température, du champ magnétique, du soleil,
des variations de l’environnement
14- Méthode complémentaire du C et de la
dendrochhronologie: de 10 ka à 350 ka (temps
238 8de demi-vie beaucoup plus longs: U: 7 10
230 10ans; Th: 1.4 10 ans)
- mais… beaucoup plus chère
TD: Commentez!
- Comparaison de 2 horloges: Bard et al., 1990
14U/Th et C
U se substitue au Ca dans le réseau
carbonaté
Problème des systèmes « ouverts »:
tous les carbonates ne « retiennent »
pas les atomes « parents » et « fils »
au cours du temps! mesuré par AMS
et désintégration
-> Utilisation optimale: pour certains
coraux non recristallisés
Barbades
14-> Biais de la méthode C fort après 9000 ans (âges trop jeunes)
-> Résolution temporelle des datations U/Th peut être < 10 ans
5- Datations radio-isotopiques: par luminescence
- Très utile si pas de bois, coquillages, coraux
- Principe: Electrons « énergitisés » par radiation peuvent être piégés dans les défauts des
cristaux de Quartz à différents niveaux d’énergie
- Retour au niveau d’énergie « normal » par addition d’énergie -> émission de photons
correspondante au niveau atteint: émission lumineuse = luminescence
- Cause initiale (radiation): provient de la désintégration de radio-isotopes dans le sédiment –
Hypothèse: taux constant
-> On date le moment du « piégeage » du sédiment après son exposition atmosphérique
- 2 méthodes:
- (a) Datation « TL »: thermoluminescence: addition de température
- (b) Datation OSL: luminescence stimulée optiquement
Signal sensible à
tout type
d’excitation –
Expérience détruit
l’échantillon
QUARTZ
R = taux d’irradiation
D’après J-F. Ritz, Univ.
Montpellier
6- Mesures nécessaires:
- dose de radiation reçue par le sédiment au cours du temps (paléodose P)
- taux d’irradiation R
Méthode
additive: -> -> Age = P/R
extrapolation
- Taux d’irradiation R mesuré dans le vers zéro
sédiment par un détecteur de radiation sur
Méthode de longues périodes de temps
régénérative:
- Paléodose: estimée par expériences en irradiation variable
laboratoire sur l’échantillon sensible à de sous-
échantillons l’exposition lumineuse
préalablement
- Hypothèse-clé: chaque grain dans le dépôt « initialisés »
n’a pas d’enregistrement d’une radiation Méthode
d’exposition antérieure avant piégeage dans le dépôt
partielle:
-> Vérifier qu’une bonne exposition de l’échantillon a irradiation brève -
eu lieu avant dépôt! > courbe croisée
avec la premièreEx.: loess, sables, argiles lacustres,…
Limite en âge (~300 ka): atteinte car saturation du
signal de luminescence avec l’irradiation
- Datations cosmogéniques:
Méthode récente, délicate à utiliser
PRINCIPE:
- Bombardement de particules
stimulé par le champ magnétique terrestre
- Interactions dans l’atmosphère ->
Taux de production atmosphérique P décroît
en s’approchant du sol par atténuation
Oxygène-> Radionucléides cosmogéniques (RNC)
produits « in situ » au sol si les minéraux
« cibles » contiennent les atomes
Silicium
susceptibles de produire les réactions
nucléaires (SiO par exemple)2
-> P décroît en 1/e (max. 2m) dans le sol
UTILISATIONS:
- (1) Age d’exposition d’une
surface (et taux d ’érosion)
- (2) Age d’une surface de dépôt
D’après J-F. Ritz, Univ. Montpellier
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- (1) Age d’exposition d’une surface (et taux
d ’érosion):
Taux de changement de concentration: N = [ ]
dN/dt = P – N
Scénario: N = P /0
- roche sous la surface depuis longtemps (pas
de RNC): pas d’héritage P0
-> Roche exposée: Concentration N croît
t
101/ = 2 Ma pour Be
-> AU DEBUT: N faible -> N = P t à la surface – P décroît exponentiellement dans le sol -> Si P0 0
est connu (altitude, latitude), t est déduit de la mesure de N
APRES: N augmente -> N ne peut plus être négligé -> Equilibre entre P et N, concentration max.
atteinte: N = P /0
Demi-vies ~1 Ma -> P = P exp(-rt/z)0
r = Taux d’érosion à la surface supposé constant: peut être estimé
Z = profondeur
-(2) Age d’une surface de dépôt
Exposition antérieure -> mémoire – Stratégie: prélever à différentes profondeurs
près de la surface
-> 3 hypothèses:
- Le minéral ne contient pas de RNC avant
l’exposition au rayonnement cosmique
- Le système reste fermé:
- Pas de pertes en RNC en dehors de la
décroissance radioactive et l’érosion
- Pas d’apport de RNC en dehors de la
production in situ
- Le taux de production est stable dans le temps
considéré
D’après J-F. Ritz, Univ. Montpellier
8Ex. Surface datée dans le lac de Bonneville, USA
P mesuré0
Courbe
exponentielle
calculée, recalée Sol =
en profondeur « réservoir » au
sein duquel la
Niveau à partir duquel les nucléides sont concentration
hérités
en 10Be
augmente avec
l’âge de la
surface
D’après J-F. Ritz, Univ. Montpellier
9Thermochronologie: traces de fission
sur apatite (ou zircon)
• Technique majeure de géochronologie basse température, permettant d’aborder les
problèmes d’évolution des reliefs, d’exhumation ou d’enfouissement des roches, d’érosion
ou de sédimentation.
• Permet d’enregistrer les paléo-températures dans un intervalle compris entre 30 et 170°C
(thermomètre) -> Températures de clôture
• Offre la possibilité unique de caler des événements thermiques et donc de modéliser
quantitativement les histoires thermiques des roches
• Principe: minéraux des roches = détecteurs nucléaires naturels car la fission spontanée
238de l’isotope U laisse des traces dans le minéral qui le contient, selon un constante de
238 8temps connu (demi-vie de U : 7 10 ans)
• Le nombre total de traces de fission observées dans un échantillon fossile sera alors
238fonction du temps et de la teneur de cet échantillon en U.
• Approche statistique employée - Utilisation commode, car ne nécessitant qu’un système
de mesure particulièrement léger : microscope optique
Thermochronologie - Température de clôture
-Les méthodes de datation par radiochronologie datent la clôture des échantillons aux échanges d'isotope fils avec leur
environnement.
- datations sur minéraux: la clôture de l'échantillon est contrôlée par la diffusion chimique de l'élément fils dans le
minéral.
- Diffusion chimique : thermo-dépendante: il existe une température critique au-delà de laquelle le minéral est ouvert à
la diffusion chimique, et au-dessous de laquelle il est fermé. Cette température est appelée température de clôture du
minéral.
- Lorsqu'un minéral cristallise au-delà de la température de clôture d'un chronomètre donné, le système ne se clôt qu'au
cours du refroidissement de la roche au passage de la température de clôture, et on obtient alors son âge de
refroidissement. On dit alors que l'on fait de la thermochronologie.
- La température de clôture d'un système radiochronologique donné dans un minéral donné dépend du coefficient de
diffusion de l'isotope fils dans ce minéral, mais aussi de la taille des grains et de la vitesse de refroidissement.
- Températures de clôture approximatives pour quelques systèmes radiochronométriques :
U/Pb dans les zircons > 800°C
températures approximatives qui peuvent varier de K-Ar dans les micas blancs 350-400°C
plusieurs dizaines de degrés en fonction de la Traces de fission dans les zircons 200-250°C
granulométrie et de l'histoire du refroidissement.Traces de fission dans les apatites environ 100°C
http://www.geologie.uhp-nancy.fr/Duchene/TextFicheThermochronologie.htm
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