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Datations U-Th ponctuelles de carbonates par ablation laser

La méthode dite U-Th est l’une des méthodes les mieux adaptées à la datation des carbonates dans une gamme d’âges allant de quelques milliers d’années à environ 500 000 ans. Elle est couramment appliquée pour dater des carbonates marins comme les coraux ou continentaux comme les spéléothèmes, et a joué un rôle essentiel pour établir la chronologie précise des variations climatiques du Quaternaire récent. Elle est également appliquée dans les travaux de géomorphologie et néotectonique.

Cette méthode nécessite la mesure de trois radionucléides, 238U, 234U, et 230Th, qui se trouvent au début de la chaîne de désintégration de 238U. Leur analyse peut s’effectuer, après attaque acide et séparations chimiques, par spectrométrie alpha (quelques grammes de carbonate, pour une précision d’environ 10% pour un âge de 100 ka), ou par spectrométrie de masse à thermo-ionisation (TIMS) ou à source plasma (MC-ICP-MS) (quelques dizaines ou centaines de milligrammes, avec une précision supérieure à 1% sur 100 ka). Cette dernière technique a été récemment développée à GM et appliquée à la datation des concrétions d’aragonite de la grotte Malaval en Lozère, exceptionnellement cristallisées durant la dernière période glaciaire du Quaternaire (Würm).

L’hypothèse de base de la méthode est l’absence de 230Th initial au moment de la cristallisation du carbonate à partir d’une solution (les isotopes de l’U, solubles à l’état oxydé (+VI), sont incorporés dans le carbonate, contrairement à ceux de Th (+IV) qui sont insolubles). La méthode U-Th donne d’excellents résultats dans le cas de carbonates purs, qui répondent à ces critères (c.-à-d. exempts de contamination par des minéraux détritiques, par exemple), et qui n’ont pas subi d’altération postérieure à leur formation (recristallisation, sur-croissance…) ayant pu entraîner une mobilité des radionucléides.
Dans ces derniers cas, plus complexes, il peut être avantageux de pratiquer des datations ponctuelles in situ en utilisant les possibilités offertes par l’ablation laser. C’est pourquoi Michel Condomines et Olivier Bruguier viennent de développer à Géosciences Montpellier ce type de datation par LA-MC-ICP-MS. L’exemple décrit dans cet article montre son intérêt.

L’objectif était de dater des fragments de coraux extraits d’une carotte prélevée dans la lagune de Tunis, afin d’étudier l’évolution de la côte et de son environnement au cours du Quaternaire (projet piloté par Chedia Zaara, de l’Université de Tunis).

fig.1) Section d’une branche de corail du genre Balanophyllia prélevée à 28 m de profondeur dans les sédiments de la lagune de Tunis. Le squelette en aragonite blanche est bien visible, ainsi que les impuretés résiduelles entre les septas, et un liseré jaunâtre à la périphérie du corail.

Comme le suggère la figure ci-contre, lors d’une attaque chimique d’un fragment de corail, il est difficile d’éviter les impuretés qui s’accumulent entre les septas, ou les bordures qui peuvent être altérées. L’utilisation du laser permet d’analyser directement le cœur de la paroi externe en aragonite pure. C’est ainsi qu’ont pu être datés plusieurs échantillons de coraux (contenant environ 2 ppm d’U), prélevés entre 38 et 27 m de profondeur dans une des carottes, avec des âges compris entre 184 et 159 ka (cf figure 2 ci-dessous, où les données sont reportées dans le diagramme d’évolution (234U/238U)-(230Th/238U)).

fig.2) Données de quatre coraux prélevés entre 38,2 et 26,8 m de profondeur dans la lagune de Tunis, reportés dans le diagramme d’évolution (234U/238U)-(230Th/238U). Les droites noires correspondent à des isochrones. Les courbes bleues traduisent l’évolution des deux rapports d’activités au cours du temps pour différentes valeurs initiales du rapport (234U/238U)0 (R0). Chaque point représente la moyenne de 4 à 6 analyses, avec son ellipse d’erreur.

Notons que 3 des 4 échantillons analysés se situent sur la courbe d’évolution de l’eau de mer, c’est à dire avec le même rapport (234U/238U)0 initial de 1.145. L’échantillon le plus récent (prélevé à 26,8 m de profondeur) avait un rapport (234U/238U)0 initial légèrement inférieur, ce qui traduit peut-être le passage d’un milieu franchement marin à un milieu lagunaire.

Le cas du corail prélevé à 28 m de profondeur est particulièrement démonstratif de l’intérêt des datations ponctuelles. En effet, sa paroi présente une zone externe jaunâtre, déjà observée sur le fragment de la figure 1. L’examen microscopique montre (fig.3a ci-dessous) que cette bordure se développe sur la paroi externe du corail, et est constituée de calcite fibreuse formant des lamines de croissance de 20 à 30 microns d’épaisseur.

fig.3a) Section d’une branche du corail C28 montrant le squelette de la paroi en aragonite blanche pure, et la zone de bordure jaunâtre constituée de calcite magnésienne. La trace allongée visible dans l’aragonite correspond à la zone analysée pour la datation U-Th par LA-MC-ICP-MS. Les spots circulaires correspondent aux zones analysées pour les éléments majeurs et éléments traces par LA-ICP-MS.

L’analyse U-Th ne permet pas la datation de cette couche. Le point représentatif dans le diagramme d’évolution (figure 3b) se situe en effet dans une "zone interdite" pour un carbonate ayant évolué en milieu clos.

fig3b) Point représentatif de la zone de bordure en Mg-calcite du corail C28, comparé à celui de l’aragonite pure (cf fig.2). Sa position dans la "zone interdite" du diagramme montre que la bordure ne peut avoir évolué en système clos, et a incorporé des atomes d’234U et 230Th. Une analyse globale aurait abouti à un âge artificiellement trop vieux.

L’analyse ponctuelle des éléments majeurs et traces par LA-ICP-MS montre que la zone de bordure correspond à une surcroissance de calcite magnésienne ( Ca0.83 Mg0.17 CO3) enrichie en métaux de transition (Mn, Fe, Co, Cu, Zn) par rapport à l’aragonite. Ces éléments se substituent facilement au calcium (Ca) dans le réseau de la calcite, mais pas dans celui de l’aragonite. La bordure en calcite magnésienne a également incorporé des quantités importantes de 230Th et d’234U. Elle s’est probablement développée après l’enfouissement des fragments de corail dans le sédiment, en piégeant des atomes de 230Th et 234U éjectés du sédiment par le phénomène de recul alpha (effet de recul du noyau fils dans l’eau interstitielle après l’émission d’une particule alpha). Une analyse globale d’un corail présentant ce type d’anomalie aurait évidemment conduit à un âge anormalement élevé. L’intérêt de datations ponctuelles est ainsi démontré sur cet exemple. Même si elles sont moins précises (13% en moyenne dans ce cas) que des datations avec dissolution, elles offrent des résultats rapides, qui aident à sélectionner les zones favorables au sein d’un échantillon. Cela peut se révéler particulièrement utile si l’on veut dater des coquilles de mollusques trouvées dans d’anciennes terrasses marines surélevées. En effet, les coquilles de mollusques se comportent malheureusement très souvent comme des milieux ouverts, hormis dans certaines zones internes préservées, accessibles à l’analyse ponctuelle par LA-MC-ICP-MS. Dans certains cas, comme pour la datation de différentes générations de ciments carbonatés, cette technique est probablement la seule applicable.

Notons que, grâce à ces développements analytiques, le laboratoire Géosciences Montpellier prend place parmi les rares laboratoires au monde à pratiquer des datations U-Th de carbonates par LA-ICP-MS. C’est un nouvel outil qui complète la palette de méthodes du laboratoire Radionucléides et Environnement, sans doute le seul en France à pouvoir couvrir des échelles de temps allant de quelques jours à quelques centaines de milliers d’années.



Le bulletin du laboratoire Géosciences Montpellier n°25 - juin/octobre 2021