Détecter l’indétectable : vers une nanogéochronologie ?

Mardi, 30 octobre 2018

Une équipe internationale de chercheur(e)s impliquant le Laboratoire magmas et volcans (LMV/OPGC, CNRS/UJM/UCA/IRD), le Centre de recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP, CEA/CNRS/ENSICAEN/UNICAEN), ouvrent la voie vers la géochronologie à l’échelle nanométrique et la possibilité de tracer des processus indétectables à plus grande échelle. Ces résultats inédits sont issus de la combinaison de deux techniques analytiques de pointe, le Microscope Electronique en Transmission et la Sonde Atomique Tomographique. 

Etude combinée MET/APT de cœurs de monazites riches en S. Reconstruction 3D d’un échantillon analysé par APT (à gauche) et images STEM-HAADF et cartographie chimique du S et Ca au MET du même échantillon (à droite); notez la présence de nano-clusters riches en Ca, S (MET/APT) et Pb (APT). En APT, chaque « point » correspond à un atome et le volume total analysé ici correspond à 20 Millions d’atomes. La mesure du temps est fondamentale pour comprendre l'évolution planétaire et contraindre tous les événements qui ont façonné la Terre et les autres planètes. La technique de datation la plus largement utilisée est basée sur la désintégration radioactive des isotopes pères (U et Th) en isotopes fils (Pb) dans des minéraux accessoires tels que le zircon et la monazite. La principale hypothèse sur laquelle repose la datation radiométrique est que les radionucléides (pères et fils) sont immobiles dans le réseau cristallin du minéral hôte. Cependant, cette hypothèse est souvent transgressée et il est finalement assez fréquent d’avoir une redistribution des éléments parents (U, Th), et du Pb (radiogénique ou pas) dans ces minéraux au cours de leur histoire, rendant l'interprétation géochronologique incertaine. Par exemple, dans les systèmes U–Pb, une perturbation des systèmes sera identifiée par des dates 238U/206Pb et 235U/207Pb discordantes. Cependant un faible pourcentage de discordance ne sera pas résolu analytiquement, entrainant des analyses en apparence concordantes s’étalant le long de la Concordia. De telles distributions seront très difficiles à interpréter car pouvant signifier aussi bien une croissance continue prolongée, plusieurs épisodes de croissance épisodique de courte durée qu’une perturbation U-Pb des chronomètres. De récentes études ont montré que pour comprendre les mécanismes responsables des mobilités isotopiques père-fils, et ainsi fournir une interprétation rigoureuse des dates, il est nécessaire d’améliorer la résolution spatiale et donc caractériser les échantillons à l'échelle nanométrique.

Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à des cristaux de monazite provenant de Granulites de Ultra-Haute Température (UHT ; >900°C) du Rogaland (Norvège). Ces monazites ont enregistré des dates U-Pb concordantes (mesurées par LA-ICP-MS ; Laurent et al., 2016) s’étalant sur plus de 100 Ma, dans trois domaines intra-cristallins donnant des âges isotopiques U-Pb distincts de 1034 ± 6 Ma (D1; cœur riche en S), 1005 ± 7 Ma (D2) et 935 ± 7 Ma (D3). L’analyse combinée par Microscope Electronique en Transmission (MET) et Sonde Atomique Tomographique (APT) de ces cristaux de monazite révèle l'isolement de deux réservoirs de Pb radiogéniques (Pb*) différents à l'échelle nanométrique. Les cœurs de ces monazites (D1) contiennent des nano-clusters (5-10 nm) riches en CaSO4 (Figure) exsolvés lors du refroidissement. Notre étude montre que pendant toute la durée du métamorphisme de UHT (100 Ma), le Pb* est mobile, diffuse en continu et est piégé dans ces nano-clusters. On a donc une remise à zéro (système ouvert) du système chronométrique Th/Pb à l’échelle nanométrique qui aboutit à la formation d’une matrice appauvrie en Pb* et de nano-clusters enrichis en Pb* (Figure). Lorsque la température devient trop basse pour que le Pb* diffuse (<700°C), le système chronométrique se ferme (y compris à l’échelle nanométrique); la matrice enregistre donc le rapport isotopique Th/Pb correspondant à la fin du métamorphisme de UHT. Le système, qui est par contre resté clos à l’échelle du grain (µm ; monazite bulk, Figure), enregistre l’âge de cristallisation lors du métamorphisme de UHT (à 1 Ga) et valide de fait les analyses LA-ICP-MS obtenus précédemment (Laurent et al., 2016).

Cette étude a été possible grâce au soutien du CNRS (SYSTER-INSU) et de l’Université de Saint-Etienne (AO UJM).

Source(s): 

Seydoux-Guillaume A-M., Fougerouse D., Laurent A.T., Gardes E., Reddy S.M., and Saxey D. (2018) Nanoscale resetting of the Th/Pb system in an isotopically-closed monazite grain: a combined Atom Probe and Transmission Electron Microscopy study, Geoscience Frontiers, doi:10.1016/j.gsf.2018.09.004

Contact(s):
  • Anne-Magali Seydoux-Guillaume, LMV
    anne [dot] magali [dot] seydoux [at] univ-st-etienne [dot] fr, 04 77 48 15 27

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