Datation uranium-plomb - Uranium–lead dating

La datation uranium-plomb , en abrégé U-Pb datation , est l'un des schémas de datation radiométrique les plus anciens et les plus raffinés . Il peut être utilisé pour dater des roches qui se sont formées et cristallisées il y a environ 1 million d'années à plus de 4,5 milliards d'années avec des précisions de routine de l'ordre de 0,1 à 1 %.

La méthode est généralement appliquée au zircon . Ce minéral incorpore des atomes d' uranium et de thorium dans sa structure cristalline , mais rejette fortement le plomb lors de sa formation. En conséquence, les gisements de zircon nouvellement formés ne contiendront pas de plomb, ce qui signifie que tout plomb trouvé dans le minéral est radiogène . Étant donné que la vitesse exacte à laquelle l'uranium se désintègre en plomb est connue, le rapport actuel du plomb à l'uranium dans un échantillon du minéral peut être utilisé pour déterminer de manière fiable son âge.

La méthode repose sur deux chaînes de désintégration distinctes , la série de l' uranium de ²³⁸ U à ²⁰⁶ Pb, avec une demi-vie de 4,47 milliards d'années et la série de l' actinium de ²³⁵ U à ²⁰⁷ Pb, avec une demi-vie de 710 millions d'années.

Routes de décomposition

L'uranium se désintègre pour conduire via une série de désintégrations alpha (et bêta ), dans lesquelles ²³⁸ U avec des nucléides filles subissent au total huit désintégrations alpha et six bêta tandis que ²³⁵ U avec des filles ne subissent que sept désintégrations alpha et quatre bêta.

L'existence de deux voies de désintégration uranium-plomb « parallèles » ( ²³⁸ U à ²⁰⁶ Pb et ²³⁵ U à ²⁰⁷ Pb) conduit à de multiples techniques de datation au sein du système U-Pb global. Le terme datation U-Pb implique normalement l'utilisation couplée des deux schémas de désintégration dans le «diagramme concordia» (voir ci-dessous).

Cependant, l'utilisation d'un seul schéma de désintégration (généralement ²³⁸ U à ²⁰⁶ Pb) conduit à la méthode de datation isochrone U–Pb, analogue à la méthode de datation rubidium–strontium .

Enfin, les âges peuvent également être déterminés à partir du système U-Pb par l'analyse des seuls rapports isotopiques du Pb. C'est ce qu'on appelle la méthode de datation plomb-plomb . Clair Cameron Patterson , un géochimiste américain qui a été le pionnier des études sur les méthodes de datation radiométrique uranium-plomb, l'a utilisé pour obtenir l'une des premières estimations de l' âge de la Terre .

Minéralogie

Bien que le zircon (ZrSiO ₄ ) soit le plus couramment utilisé, d'autres minéraux tels que la monazite (voir : géochronologie de la monazite ), la titanite et la baddeleyite peuvent également être utilisés.

Lorsqu'il n'y a pas de cristaux tels que le zircon avec des inclusions d'uranium et de thorium, des techniques de datation uranium-plomb ont également été appliquées à d'autres minéraux tels que la calcite / aragonite et d'autres minéraux carbonatés . Ces types de minéraux produisent souvent des âges de moindre précision que les minéraux ignés et métamorphiques traditionnellement utilisés pour la datation, mais sont plus courants dans les archives géologiques.

Mécanisme

Au cours des étapes de désintégration alpha , le cristal de zircon subit des dommages dus aux radiations, associés à chaque désintégration alpha. Ces dommages sont plus concentrés autour de l'isotope parent (U et Th), expulsant l' isotope fille (Pb) de sa position d'origine dans le réseau de zircon.

Dans les zones à forte concentration de l'isotope parent, les dommages au réseau cristallin sont assez étendus et s'interconnecteront souvent pour former un réseau de zones endommagées par le rayonnement. Les traces de fission et les microfissures à l'intérieur du cristal étendront encore ce réseau de dommages causés par les radiations.

Ces traces de fission agissent comme des conduits au plus profond du cristal, fournissant une méthode de transport pour faciliter la lixiviation des isotopes du plomb du cristal de zircon.

Calcul

Dans des conditions où aucune perte ou gain de plomb provenant de l'environnement extérieur ne s'est produit, l'âge du zircon peut être calculé en supposant une décroissance exponentielle de l'uranium. C'est-à-dire

${\displaystyle N_{\mathrm {n} }=N_{\mathrm {o} }e^{-\lambda t}\,}$

où

• ${\displaystyle N_{\mathrm {n} }=\mathrm {U} }$ est le nombre d'atomes d'uranium mesurés maintenant.
• ${\displaystyle N_{\mathrm {o} }}$est le nombre d'atomes d'uranium à l'origine - égal à la somme des atomes d'uranium et de plomb mesurés maintenant.${\displaystyle \mathrm {U} +\mathrm {Pb} }$
• ${\displaystyle \lambda =\lambda _{\mathrm {U} }}$ est le taux de désintégration de l'uranium.
• ${\style d'affichage t}$ est l'âge du zircon, que l'on veut déterminer.

Cela donne

${\displaystyle \mathrm {U} =\left(\mathrm {U} +\mathrm {Pb} \right)e^{-\lambda _{\mathrm {U} }t},}$

qui peut s'écrire comme

${\displaystyle {{\mathrm {Pb} } \over {\mathrm {U} }}=e^{\lambda _{\mathrm {U} }t}-1.}$

Les chaînes de désintégration de l'uranium et du plomb les plus couramment utilisées donnent les équations suivantes :

${\displaystyle {{^{\text{206}}\,\!{\text{Pb}}^{*}} \over {^{\text{238}}\,\!{\text{U} }}}=e^{\lambda _{238}t}-1,}$

( 1 )

${\displaystyle {{^{\text{207}}\,\!{\text{Pb}}^{*}} \over {^{\text{235}}\,\!{\text{U} }}}=e^{\lambda _{235}t}-1.}$

( 2 )

On dit que ceux-ci donnent des âges concordants (t de chaque équation 1 et 2). Ce sont ces âges concordants, tracés sur une série d'intervalles de temps, qui donnent la ligne concordante.

La perte (fuite) de plomb de l'échantillon entraînera une différence dans les âges déterminés par chaque schéma de désintégration. Cet effet est appelé discordance et est démontré à la figure 1. Si une série d'échantillons de zircon a perdu différentes quantités de plomb, les échantillons génèrent une ligne discordante. L'intersection supérieure de la concorde et de la ligne de la discorde reflétera l'âge d'origine de la formation, tandis que l'intersection inférieure reflétera l'âge de l'événement qui a conduit au comportement du système ouvert et donc à la perte de plomb ; bien qu'il y ait eu un certain désaccord concernant la signification des âges d'interception inférieurs.

Figure 1 : Diagramme Concordia pour les données publiées par Mattinson pour les échantillons de zircon des montagnes Klamath en Californie du Nord. Les âges des concordia augmentent par incréments de 100 millions d'années.

Le zircon non endommagé retient le plomb généré par la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium jusqu'à des températures très élevées (environ 900 °C), bien que les dommages causés par les radiations accumulés dans les zones à très haute teneur en uranium puissent abaisser considérablement cette température. Le zircon est très inerte chimiquement et résistant à l'altération mécanique - une bénédiction mitigée pour les géochronologues, car des zones ou même des cristaux entiers peuvent survivre à la fusion de leur roche mère avec leur âge uranium-plomb d'origine intact. Les cristaux de zircon avec des histoires prolongées et complexes peuvent ainsi contenir des zones d'âges radicalement différents (généralement, les zones les plus anciennes et les plus jeunes formant respectivement le noyau et le bord du cristal), et sont donc censées présenter des caractéristiques héritées. Démêler de telles complications (qui, en fonction de leur température maximale de rétention du plomb, peuvent également exister dans d'autres minéraux) nécessite généralement une analyse par micro-faisceau in situ via, par exemple, une microsonde ionique ( SIMS ) ou un laser ICP-MS .

Voir également

• Datation plomb–plomb ( datant Pb–Pb)

Les références