Bref aperçu théorique sur la méthode de datation Ar-Ar

Méthode 40Ar/39Ar: principes de base

La principale méthode de datation utilisée dans ce travail de thèse est la méthode dite d'argon-argon (Ar-Ar) sur les micas (biotites et micas blancs). Tout comme l'essentiel des méthodes géochronologiques, le principe de cette méthode est la désintégration d'un élément radioactif en élément radiogénique stable. Le rapport entre ces deux éléments est proportionnel à l'âge de fermeture du système isotopique. Pour la méthode K-Ar (Potassium-Argon) il s'agit de la désintégration du potassium 40 [40K] radioactif en argon radiogénique 40 [40*Ar]. Cette désintégration se fait sur des millions d'années (Ma) et d'une manière exponentielle que l'on peut calculer en connaissant le rapport 40*Ar/40K.

Toutefois, ces deux isotopes doivent être mesurés séparément, par deux méthodes distinctes. Cela engendre souvent des erreurs vu que 2 prises distinctes sont utilisées pour chaque analyse. Pour cette raison, la méthode de datation argon-argon (Ar-Ar) fût mise au point: une partie du 39K est transformée en argon 39Ar, par irradiation contrôlée. Le rapport 40*Ar/39Ar est proportionnel à celui de 40*Ar/40K: rapport 39K/40K constant dans la nature et teneurs 39Ar et 39K dépendantes. Un standard d'âge connu est simultanément irradié, et son rapport 40*Ar/39Ar mesurer afin de recalculer l'âge des échantillons.

Fermeture du système isotopique

Un des problèmes majeurs est de savoir à quel moment le système isotopique se referme. Depuis les années 70, notamment avec l'équipe de Emilie Jäger de Bern (Purdy & Jäger 1976), de nombreux géochronologues ont supposé que chaque système isotopique et chaque minéral possèdait une température de fermeture, température à laquelle les isotopes radiogéniques ne peuvent plus être sorti du réseau cristallin. Toutefois, la déformation (engendrant une recristallisation partielle et une variation de la taille moyenne des grains) ainsi que le passage de fluides hydrothermaux peuvent mener à une réouverture du système à une température différente de la température théorique du minéral pour un certain isotope.

L'irradiation des échantillons

Comme déjà dit, pour la méthode Ar-Ar, les échantillons doivent être irradiés dans un réacteur nucléaire, afin de transformer une partie du potassium en argon. Cette irradiation est contrôlée dans le sens que l'on connaît le temps d'irradiation et que l'on peut recalculer la puissance de l'irradiation par la mesure d'un standard d'âge connu (irradié simultanément bien entendu ;-). Malheureusement, le potassium n'est pas le seul qui intéragit avec l'irradiation (en fait tous les atomes sont suceptible d'interagir...). Dans le cas de l'argon, le calcium ainsi que le chlore induisent aussi la fabrication d'argon (voir le dessin ci-contre). Non seulement le potassium produit du 40Ar, mais aussi du 39 et du 38. Le calcium engendre principalement du 37Ar, avec un peu de 39, 38 et 36Ar. Quant au chlore, il produit du 38Ar. En plus de cela, dans l'échantillon, il y a aussi un peu d'argon atmosphérique (de rapport connu et constant actuellement). De l'argon 40 radiogénique .............................. Toutes ces intérférences doivent être corrigée lors des mesures afin de déterminer les rapports voulu, entre-autre le fameux 40*Ar/39Ar, Ca/K et Cl/K, sans oublier la quantité de potassium ayant interagit pour produire de l'argon.

Technique du "stepwise heating"

Une première méthode extrait le gaz dans un four chauffant par palier l'échantillon (de 400°C à plus de 1400°C), détruisant ainsi peu à peu le minéral qui libère progressivement des gaz (voir la visite du laboratoire). Cette méthode permet d'obtenir un spectre de rapport 40*Ar/39Ar (et donc des âges) en fonction des paliers de température. Si l'échantillon présente une homogénéité isotopique à toutes les températures d'extraction, alors le spectre est plat et l'âge qui en ressort est précis.

Il arrive souvent que ce ne soit pas le cas, notamment lorsque les minéraux ont subi une altération, une rétromorphose partielle (chloritisation des biotites par exemple), une perte partielle ou un excès de argon (réouverture tardive du système),... Dans ces cas, les âges qui en ressortent sont bien souvent inexploitables. D'autres problèmes arrivent lorsque le séparat de minéraux n'est pas pure. Dans ce cas, des suppositions peuvent être émises pour intérpréter le spectre à l'aide du calcul des rapports Ca/K et Cl/K [obtenu de la mesure respective du 37 et 38Ar]. Toutefois, une seconde analyse d'un séparat pure est plus sûr.

Technique de l'ablation laser

La méthode d'évaporation in situ permet de mesurer un point précis d'un minéral dans une lame mince à l'aide de l'ablation laser (infrarouge ou ultraviolet). A l'heure actuelle, la précision de cette méthode reste faible à cause de la faible quantité de gaz libéré, en particulier pour des échantillons "jeunes" (moins de 50 Ma), même si cela s'améliore de jour en jour. En outre, les cas de réouverture de système isotopique, sont difficilement perceptible, à moins d'une grande précision dans les résultats (échantillon vieux et nombreux points d'analyse pour les inhomogénéites supposées).

Traitement et mesure du gaz

Dans tous les cas, le gaz qui en ressort doit être purifié, afin qu'aucun autre élément ne gène la mesure des isotopes de l'argon dans le spectromètre de masse. Par exemple, la présence de CO2 dans le gaz risque de produire une élévation non contrôlable du bruit de fond dans le spectromètre, au niveau des pics d'argon. Tous les isotopes de l'argon (36, 37, 38, 39 et 40Ar) sont mesurer, ceci afin de pouvoir apporter des corrections sur le rapport 40*Ar/39Ar (voir la figure ci-dessous).

Et après ???

Dans le cadre de ce travail de thèse, d'autres méthodes géochronologiques sont aussi envisageables, notamment celles liées à la désintégration de l'uranium en thorium puis en plomb (U-Th-Pb) dans les allanites (épidotes riches en terres rares) et éventuellement les monazites. Les grenats peuvent aussi être datés par les méthode dite de samarium-néodynium (Sm-Nd) ou luthétium-hafnium (Lu-Hf). La mesures des traces de fission dans les apatites et les zircons fournit d'autres âges sur le refroidissement.

En bref, il sera très intéressant de pouvoir obtenir plusieurs âges et de les comparer et interpréter, afin d'obtenir une plus grande certitude. Enfin, lorsque ces âges seront bien déterminés, nous pourrons les rattachés aux estimations de pression et de température (et donc aussi à la position structurale de la roche au moment daté, voir la méthode de travail) ainsi qu'à la littérature et aux études géologiques déjà existantes, afin de donner une signification qui je l'espère sera solide... comme le roc ;o)

Pour de plus amples détails sur ces méthodes géochronologiques, quelques liens sont disponibles dans ma page de liens.