Géochronologie Comment dater les roches ?

Le 25 août 2006, par Jeff,

Ecrit pour fsg en Novembre 2004

La méthode U-Pb

En fait, il y a plein de, disons, "sous-méthodes" qui tournent autour du couple U-Pb, ou plutôt des couples U-Pb.

Si je ne dis pas trop de conneries, il y a au moins deux couples principaux, 235U qui se désintègre en 207Pb (via de nombreux intermédiairs) ; et 238U -> 206Pb. Il y a aussi du 204Pb, stable.

Tu peux donc faire de la géochronologie U-Pb avec n’importe lequel des deux couples (235 ou 238) ; ou tu peux coupler les deux (qui ne se décomposent pas à la même vitesse) pour faire des chronomètres avec les rapports 207Pb/206Pb ; ou d’autres combinaisons que je n’ai plus en tête. Une des façons de faire la plus classique, c’est, disons, de "comparer" les âges 235/207 et 238/206, et de voir dans quelle mesure ils coincident (ages "concordants") ou pas (ages "discordants"). On sait assez bien interpréter les âges discordants en terme d’histoire complexe, avec plusieurs évènements successifs enregistrés dans l’échantillon.

Précision et signification d’un âge

En terme de précision "brute de spectro", c’est très bon. On mesure les rapports isotopiques de l’U et du Pb à la troisième décimale, ce qui donne des impécisions sur les âges de l’ordre de moins de 1 % (du moins dans les périods qui m’intéressent) : vers 2500 Ma, on a des âges avec des précisions typiquement de + ou - 3 à 10 Ma.

Après, il faut voir si l’âge est concordant ou discordant, ce genre de problèmes, qui font que même si la précision analytique est excellente, l’exactitude de l’âge (ou son interprétation) peut être moins bonne. Si les âges 235 et 238 sont très discordants, par exemple (cad que les deux couples isotopiques ne donnent pas le même âge !), la mesure a beau être à moins de 1 %, il y a une dimension d’interprétation qui fait que l’êge (ou, dans ce cas, LES âges des différents épisodes) sont moins bien contraints.

Enfin se pose la question de la signification d’un âge. En réalité, ce que date un chronomètre, c’est le temps écoulé depuis qu’il a évolué "en vase clos", sans échange avec l’extérieur. Selon ce qu’on date, ca peut être assez différent :

  • si on date des roches totales (ce qui se fait de moins en moins en U- Pb), on obtient une valeur potentiellement affectée par les circulations de fluides plus tardive ou les transformations minéralogiques après la formation de la roche. Ca peut être très dur à interpréter.
  • on date donc des minéraux isolés, en général. Les plus fréquents, ce sont le zircon (ZrSiO4) et le sphène (CaTisiO4(OH)) ; maintenant aussi la monazite (REE,Th)PO4. Tous contiennent des traces d’U et de Pb ; et même de fortes traces, suffisantes pour des datations précises.
    • Le zircon est un minéral qui cristallise à haute température (env. 850 °C) et que plus rien n’affecte après, ou à peu près. C’est donc un très bon minéral pour dater les roches magmatiques (il datera la cristallisation du magma). Problème : comme il est virtuellement indestructible, il peut arriver que des cristaux de zircon anciens ("hérités", en jargon de géochronologiste) passent dans un magma plus récent et y survivent. Donc, si on date toute une population de zircons d’une roche magmatique, on a de bonnes "chances" de trouver un âge qui en fait est un mélange entre des zircons hérités et des zircons néoformés. On sait maintenant faire des datations in-situ, c’est à dire dater non seulement un grain, mais une partie d’un grain (avec une zone analysée de l’ordre de qq dizaines de micromètres). Ca permet de faire des "cartes" des âges du zircon, et de reconstituer son histoire : qu’est-ce qui est hérité, qu’est ce qui est nouveau. Et ce avec la précision < 1 % que je mentionnais, mais évidemment avec une dose d’interprétation non négligeable.
    • Le sphène cristallise aussi à haute température, mais il est moins solide et peut continuer à échanger U et Pb avec son environnement jusque vers 600-700 °C. Il date donc, en théorie, le moment ou la roche est passée à une température < 600 °C pour la dernière fois. Dans une roche magmatique, ca va donc dater, selon les cas, soit (1) le moment, lors du refroidissement de la roche, ou celle-ci est passée sous cette température ; (2) le moment ou la roche a été réchauffée, si qq chose de ce genre a eu lieu. L’interprétation est d’autant plus délicate, que le "réequilibrage" est rarement complet, c’est à dire qu’on obtient des mélanges entre du "vieux" Pb et du Pb plus récent, donc des âges très discordants, bref c’est pas très simple à interpréter. On a beau avoir le même genre de précisions de mesure, ca donne des âges moins fins.
    • La monazite est un minéral du métamorphisme. Sa cristallisation date donc, en principe, l’âge du métamorphisme. En fait c’est assez délicat et ca demande pas mal de doigté (notamment parce qu’il faut faire une très bonne étude de la roche avant pour essayer de voir dans quel contexte pétro ce minéral s’est formé). Et ca donne des âges — métamorphiques bien sûr— plutôt moins précis (1-10 % d’incertitude, typiquement).

Parler de "précision" est donc un peu court ; il faut distinguer la précision analytique et, disons, la conclusion géologique.

J’ai par exemple sous les yeux un article dans lequel un échantillon a donné des zircons qui, datés in-situ, ont permis de mettre en évidence : (1) une population principale définissant un âge de 2547 +- 19 Ma (pas très bon, on a souvent plus précis) ; (2) quelques zircons hérités à 3070 +- 20 Ma (sans doute l’âge de la roche qui a fondu pour donner ce granite, et là ou la vie est belle, c’est qu’on connait des roches de cet âge la dans la région) ; (3) des traces de perturbations (réchauffement ?) vers 600 Ma (un âge ou il s’est passé plein de choses, régionalement).

Ce qui est marrant, c’est que le même granite, daté il y a qq années en regardant la population complète de zircons (donc avec des méthodes d’il y a 15 ans, pas in-situ) donnait un âge de 2631 +- 6, qui correspond sans doute au "mélange" entre les deux groupes (2547 et 3070). Pour finir, des sphènes dans le massif d’à coté donnent des âges de 2420 +-2, qui correspondent au refroidisement en dessous de 600-700 °C.

On voit bien que se pose la question de la signification géologique des âges : l’âge à 2631 est certes le plus précis de tous ceux que je cite ici, mais il semble ne correspondre à aucun évènement géologique ! L’âge à 2547 est sans doute la cristallisation du granite... mais si il est resté jusque vers 2420 au dessus de 600 °C, il pouvait donc rester quelques liquides dans le système.

En résumé

On arrive donc à dater :

  • des roches magmatiques
    • avec une précision < 1 % grâce aux méthodes in-situ ;
    • c’était moins bon avec les méthodes sur population complète d’il y a seulement 5-10 ans, on était plutôt à 1-2 % ;
    • avec en rab des infos supplémentaires sur les population "héritées" (donc l’âge des roches qui étaient la avant), ou les perturbations tardives du système.
  • des roches métamorphiques
    • avec une précision moins bonne, de l’ordre de quelques %
  • pas de roches sédimentaires : les processus qui s’y déroulent sont à trop basse température ! Tout ce qu’on peut y faire c’est regarder l’âge des zircons qu’on y trouve et dire que la roche est plus récente...

Enfin, même si les précisions analytiques sont excellentes, il ne faut pas perdre de vue qu’il y a une dose d’interprétation. Et qu’on commence à avoir des précisions telles qu’un phénomène comme un épisode métamorphique ou la mise en place d’un granite n’apparaissent plus comme instantanés.

(1) Chardon et al. 2002, Tectonics 21-3 (2) Krogstad et al. 1991, J.Geol 99:801-816

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Commentaires de l'article

 
Christian
Le 19 avril 2008

Bonjour JF

Dans cet article très interessant vous écrivez "On sait maintenant faire des datations in-situ, c’est à dire dater non seulement un grain, mais une partie d’un grain (avec une zone analysée de l’ordre de qq dizaines de micromètres)".

Mais concrètement comment on fait pour faire cette analyse in situ ?

Merci pour votre réponse

 
Jeff
Le 21 avril 2008

"Mais concrètement comment on fait pour faire cette analyse in situ ?"

On utilise une machine connue sous le nom de SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion Microprobe — c’est un jeu de mot, shrimp veut dire "crevette" en Anglais). Voir par exemple http://en.wikipedia.org/wiki/SHRIMP .

Une SHRIMP emet un faisceau d’ions oxygène, qui sont focalisés et envoyés sur l’échantillon. On récupère des ions "secondaires", qui sont accélérés et envoyés dans un spectro de masse, où on sépare, classiquement, les ions en fonction de leur rapport charge/masse. La taille du "spot" (le diamètre du faisceau d’ions O) est de l’ordre de quelques dizaines de microns.

Les échantillons analysés sont donc des zircons séparés : la roche est broyée légèrement (pour ne pas casser les grains ; quand on est très soigneux, on utilise d’autres techniques basées sur des vibrations, pour désintégrer le caillou sans casser les grains). Ensuite, on en sépare les minéraux, essentiellement par densité, puisque les zircons sont très lourds (flotation dans des liquides denses, typiquement) ; mais aussi par magnétisme (permet d’évacuer les oxydes de fer, denses eux aussi) et pour finir à la main (sous la bino, avec une pince à épiler !). Les zircons sont alors montés dans une résine de type epoxy (mais un epoxy spécial, qui ne contienne même pas de traces de plomb), et la lame est mise dans la SHRIMP.

Tu peux jeter un coup d’oeil sur cette page http://www.utdallas.edu/ dxt038000/Plate%20Tectonics/presentations.htm à la conférence de Simon Wilde. Il présente les données sur les zircons de Jack Hills (les plus vieux du monde), mais entre autres choses tu y verras quelques photos des échantillons à différents stades.

Une SHRIMP est une machine très chère et relativement difficile à calibrer, dont il existe une vingtaine au monde (dans l’article de Wikipedia donné en lien, il manque au moins celle du CRPG à Nancy et celle de Misasa au Japon...) ; elle a été dévellopée par l’Australian National University (ANU) à Canberra.

Depuis quelques années, la SHRIMP est progressivement concurencée par une nouvelle génération des ICP-MS à ablation laser. ICP-MS veut dire Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer ; c’est un spectro de masse dans lequel l’ionisation se fait par un plasma (dans les spectros de masse "classiques", TIMS — thermo-ionization MS—, l’ionisation se fait en déposant une goutte de solution sur un filament similaire à celui des lampes à incandescence). Les ICP-MS "classiques" ont un plasma confiné dans un champ magnétique, où on injecte la solution à analyser ; avec une ICPMS laser, le plasma est crée par un laser, ce qui permet d’avoir une analyse in-situ, dans un "spot" de l’ordre de 50-200 microns.

Les "anciennes" ICPMS n’ont pas de capacité isotopiques ; même si la détection se fait par spectrométrie de masse, sur la base de la masse des isotopes, elles ne sont pas assez sensibles pour obtenir la précision nécessaire à de la géochronologie (plusieurs décimales — une ICPMS laser normale donne des analyses à 5-10 % quand elle est bien calibrée). Mais les machines récentes ("multicollection") arrivent maintenant à résoudre avec une précision suffisante au moins le plomb, souvent le Sr. On commence donc, depuis une dizaine d’années, à obtenir des âges laser sur des zircons (montés de la même façon que pour la SHRIMP). A mon avis, la technique a de l’avenir : une ICPMS laser est plus versatile, moins chère, plus fiable et plus facile à utiliser qu’une SHRIMP...

 

Attention !

Suite à un bug que je n’arrive pas à résoudre, vous êtes peut-être arrivés sur cette page, ou d’ailleurs sur n’importe quelle page du site, avec une adresse (url) incorrecte. Si c’est le cas, il y a des choses qui marcheront mal (documents liés, commentaires...).

Les adresses correctes sont de la forme

http://jfmoyen.free.fr/spip.php ?articleXXX

Toute autre version (avec des choses en plus entre le "... free.fr/" et le "spip.php") n’est pas bonne.

Si vous n’arrivez pas à écrire un commentaire ou voir une photo, vérifiez que vous pointez bien sur la bonne adresse ; si vous faites un lien vers ce site, merci d’utiliser la version correcte de l’URL.

 

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Dernière mise à jour le :
25 août 2006
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