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Isotopes du potassium et de l’argon
Les isotopes sur lesquels s’appuie le système KAr sont le potassium (K) et l’argon (Ar). Le potassium, un métal alcalin, huitième élément le plus abondant de la Terre, est commun dans de nombreuses roches et minéraux formant des roches. La quantité de potassium dans une roche ou un minéral est variable et proportionnelle à la quantité de silice présente. Ainsi, les roches et minéraux mafiques contiennent souvent moins de potassium qu’une quantité égale de roche ou de minéral silicique. Le potassium peut être mobilisé dans ou hors d’une roche ou d’un minéral par des processus d’altération. En raison du poids atomique relativement élevé du potassium, le fractionnement des différents isotopes du potassium est insignifiant. Cependant, l’isotope 40K est radioactif et sa quantité diminuera donc avec le temps. Mais, pour les besoins du système de datation KAr, l’abondance relative du 40K est si faible et sa demi-vie est si longue que ses rapports avec les autres isotopes du potassium sont considérés comme constants.
L’argon, un gaz noble, constitue environ 0,1 à 5% de l’atmosphère actuelle de la Terre. Parce qu’il est présent dans l’atmosphère, chaque roche et minéral aura une certaine quantité d’Argon. L’argon peut être mobilisé dans ou hors d’une roche ou d’un minéral par l’altération et les processus thermiques. Comme le potassium, l’argon ne peut pas être fractionné de manière significative dans la nature. Cependant, le 40Ar est le produit de la désintégration du 40K et sa quantité augmente donc avec le temps. La quantité de 40Ar produite dans une roche ou un minéral au fil du temps peut être déterminée en soustrayant la quantité connue contenue dans l’atmosphère. Pour ce faire, on utilise le rapport constant 40Ar/36Ar de l’argon atmosphérique. Ce rapport est de 295,5.
Désintégration radioactive de l’isotope parent en isotope fille
Les noyaux du 40K naturel sont instables, se désintégrant à un rythme constant (demi-vie = 1,25 milliard d’années). Le schéma de désintégration est la capture d’électrons et la désintégration de positrons. Environ 89 % des atomes de 40K se désintègrent en 40Ca. Pour le système de datation K/Ar, ce schéma de désintégration en isotopes de calcium est ignoré. Les 11% restants des atomes 40K se désintègrent en 40Ar. C’est ce schéma qui permet à la méthode K/Ar de fonctionner.
L’accumulation de 40Ar radiogénique (40Ar*) dans un système fermé peut être exprimée par l’équation:
La technique de datation K/Ar
Hypothèses générales pour le système de datation Potassium-Argon
Certaines hypothèses doivent être satisfaites avant que l’âge d’une roche ou d’un minéral puisse être calculé avec la technique de datation Potassium-Argon. Ce sont :
- Le matériau en question est un système fermé. En d’autres termes, aucun 40Ar radiogénique ne s’est échappé de la roche/minéral depuis sa formation. Dans le cas d’un minéral volcanique, cela signifie un refroidissement rapide. De même, le potassium n’a pas été gagné ou perdu.
- Une correction est faite pour l’argon atmosphérique (40Ar du rapport 40Ar/36Ar = 295,5 soustrait).
- Aucun 40Ar non atmosphérique n’a été incorporé dans la roche/minéral pendant ou après sa formation.
- Les isotopes du potassium dans la roche/minéral ne se sont pas fractionnés, sauf par désintégration du 40K.
- Les constantes de désintégration du 40K sont connues avec précision.
- Les quantités de 40Ar et de potassium dans la roche/minéral sont déterminées avec précision.
La détermination de l’âge K/Ar
Une fois que le 40Ar et le potassium dans une roche/minéral sont mesurés avec précision, la quantité de 40K (basée sur l’abondance relative du 40K par rapport au potassium total) et de 40Ar* (40Ar radiogénique) doit être calculée. La méthode K/Ar utilise un pic (quantité connue) de 38Ar mélangé à l’argon extrait de la roche/minéral pour déterminer la quantité de 40Ar*. Le 40Ar* et le 40K qui en résultent peuvent être insérés dans l’équation de l’âge comme suit :
Problèmes et limites de la technique de datation K/Ar
Parce que la technique de datation K/Ar repose sur la détermination des abondances absolues du 40Ar et du potassium, il n’existe pas de moyen fiable de déterminer si les hypothèses sont valides. La perte d’argon et l’excès d’argon sont deux problèmes courants qui peuvent entraîner la détermination d’âges erronés. La perte d’argon se produit lorsque le 40Ar radiogénique (40Ar*) produit dans une roche/minéral s’échappe quelque temps après sa formation. L’altération et les températures élevées peuvent endommager suffisamment le réseau d’une roche ou d’un minéral pour permettre la libération de 40Ar*. L’âge K/Ar calculé peut alors être plus jeune que l’âge « réel » du matériau daté. Inversement, un excès d’argon (40ArE) peut faire en sorte que l’âge K/Ar calculé soit plus ancien que l’âge « réel » du matériau daté. L’excès d’argon est simplement du 40Ar qui est attribué au 40Ar radiogénique et/ou au 40Ar atmosphérique. L’excès d’argon peut provenir du manteau, sous forme de bulles piégées dans une masse fondue, dans le cas d’un magma. Ou bien il peut s’agir d’un xénocristal/xénolithe piégé dans un magma/une lave lors de sa mise en place.
La technique de datation 40Ar/39Ar
Principes de la méthode 40Ar/39Ar
La technique de datation 40Ar/39Ar est une variante plus sophistiquée de la technique de datation K/Ar. Les deux techniques reposent sur la mesure d’un isotope fille (40Ar) et d’un isotope parent. Alors que la technique K/Ar mesure le potassium comme parent, la technique 40Ar/39Ar utilise le 39Ar.
Comme les abondances relatives des isotopes du potassium sont connues, le 39ArK (produit à partir du 39K par une réaction neutronique rapide) peut être utilisé comme substitut du potassium. Par conséquent, contrairement à la technique conventionnelle K/Ar, il n’est pas nécessaire de mesurer les abondances absolues. On mesure plutôt les rapports des différents isotopes de l’argon, ce qui donne des résultats plus précis et plus exacts. Les avantages supplémentaires des mesures isotopiques uniques de la technique 40Ar/39Ar sont la diminution des effets de l’inhomogénéité de l’échantillon et l’utilisation d’échantillons de plus petite taille.
Irradiation de l’échantillon / Production de 39Ar
Parce que le 39ArK ne peut être produit que par une réaction neutronique rapide sur 39K , tous les échantillons datés par la technique 40Ar/39Ar doivent être irradiés dans le cœur d’un réacteur nucléaire. La quantité de 39ArK produite lors d’une irradiation donnée dépend de la quantité de 39K présente initialement, de la durée de l’irradiation, de la densité du flux neutronique et de la section efficace de capture des neutrons pour 39K. Cependant, comme chacun de ces paramètres est difficile à déterminer indépendamment, un étalon minéral, ou moniteur, d’âge connu est irradié avec les échantillons d’âge inconnu. Le flux du moniteur peut alors être extrapolé aux échantillons, déterminant ainsi leur flux. Ce flux est connu sous le nom de ‘J’ et peut être déterminé par l’équation suivante :
En plus de la production de 39Ar à partir de 39K, plusieurs autres réactions ‘d’interférence’ se produisent pendant l’irradiation des échantillons. D’autres isotopes de l’argon sont produits à partir du potassium, du calcium, de l’argon et du chlore. Ce sont :
Comme l’illustre le tableau ci-dessus, plusieurs réactions « indésirables » se produisent sur les isotopes présents au sein de chaque échantillon géologique. Ces isotopes d’argon produits par les réacteurs doivent être corrigés afin de déterminer un âge précis. Le contrôle des réactions parasites est effectué à l’aide de sels et de verres de laboratoire. Par exemple, pour déterminer la quantité de 40Ar produite par le réacteur à partir de 40K, un verre riche en potassium est irradié avec les échantillons. Le rapport 40Ar/39Ar du verre est ensuite mesuré dans le spectromètre de masse pour déterminer le facteur de correction qui doit être appliqué au reste des échantillons de cette irradiation. Le CaF est également irradié de façon routinière et mesuré pour déterminer les facteurs de correction 36Ar/37Ar et 39Ar/37Ar. La production » souhaitable » de 37Ar à partir de 40Ca nous permet de déterminer la quantité de 36Ar et 39Ar à corriger, ainsi que le rapport K/Ca de l’échantillon. La production souhaitable de 38Ar à partir de 37Cl nous permet de déterminer la quantité de chlore présente dans nos échantillons. Un sel de KCl est irradié pour déterminer le rapport de production 38Ar/39Ar qui peut ensuite être appliqué à d’autres échantillons pour déterminer les rapports K/Cl.
Détermination de l’âge 40Ar/39Ar
Une fois que le J (paramètre de flux neutronique), le 40Ar* et le 39ArK ont été déterminés (ie. soustraire l’argon atmosphérique, le blanc du système et les isotopes interférents produits par le réacteur), ils peuvent être inclus dans l’équation de l’âge 40Ar/39Ar :
Parce que la technique 40Ar/39Ar repose sur des ratios plutôt que sur des quantités absolues, nous sommes capables d’extraire et de mesurer plusieurs aliquotes d’argon à partir d’un seul échantillon. Les extractions multiples d’argon peuvent être réalisées sur un échantillon de plusieurs façons. Le chauffage par étapes est la méthode la plus courante et implique l’utilisation d’un four ou d’un laser pour chauffer uniformément l’échantillon afin de faire évoluer l’argon. Les âges individuels de chaque étape de chauffage sont ensuite reportés graphiquement sur un spectre d’âge ou un isochrone. Le broyage mécanique est également une technique capable de libérer l’argon d’un seul échantillon en plusieurs étapes.
Les sondes laser permettent également de déterminer des âges multiples sur une seule aliquote d’échantillon, mais le font en utilisant un contrôle spatial précis et exact. Par exemple, des tailles de spot laser de 100 microns ou moins permettent à un utilisateur d’extraire plusieurs échantillons d’argon à travers un petit grain de mica ou de feldspath. Les résultats d’une sonde laser peuvent être tracés de plusieurs façons graphiques, y compris une carte d’un grain montrant la distribution latérale de l’argon.
La fusion totale 40Ar/39Ar d’un échantillon est comparable à une détermination de l’âge K/Ar dans la mesure où elle repose sur la libération en gros de l’argon en une seule fois. Cependant, contrairement à la méthode K/Ar classique, la fusion totale 40Ar/39Ar mesure des ratios, ce qui la rend idéale pour les échantillons connus pour être très rétentifs à l’argon (par exemple, la sanidine). La fusion totale est réalisée à l’aide d’un laser et les résultats sont généralement tracés sur des diagrammes de distribution de probabilité ou des idéogrammes.
Quelques problèmes avec la technique 40Ar/39Ar.
Intercalibration standard
Pour qu’un âge puisse être calculé par la technique 40Ar/39Ar, le paramètre J doit être connu. Pour que le J soit déterminé, un standard d’âge connu doit être irradié avec les échantillons d’âge inconnu. Comme ce standard (primaire) ne peut pas être déterminé par la technique 40Ar/39Ar, il doit d’abord être déterminé par une autre méthode de datation isotopique. La méthode la plus couramment utilisée pour dater le standard primaire est la technique conventionnelle K/Ar. Le standard primaire doit être un minéral homogène, abondant et facile à dater par les méthodes K/Ar et 40Ar/39Ar. Traditionnellement, cet étalon primaire est une hornblende provenant des monts McClure, Colorado (alias MMhb-1). Une fois qu’un âge exact et précis est déterminé pour le standard primaire, d’autres minéraux peuvent être datés par rapport à lui par la méthode 40Ar/39Ar. Ces minéraux secondaires sont souvent plus faciles à dater par la technique 40Ar/39Ar (par exemple, la sanidine). Cependant, s’il est souvent facile de déterminer l’âge du standard primaire par la méthode K/Ar, il est difficile pour différents laboratoires de datation de s’accorder sur l’âge final. De même, en raison de problèmes d’hétérogénéité de l’échantillon MMhb-1, les âges K/Ar ne sont pas toujours reproductibles. Cette imprécision (et inexactitude) est transférée aux minéraux secondaires utilisés quotidiennement par la technique 40Ar/39Ar. Heureusement, d’autres techniques sont disponibles pour réévaluer et tester les âges absolus des standards utilisés par la technique 40Ar/39Ar. Certaines d’entre elles incluent d’autres techniques de datation isotopique (par exemple U/Pb) et l’échelle de temps de polarité astronomique (APTS).
Constantes de désintégration
Un autre problème affectant la précision et l’exactitude ultimes de la technique 40Ar/39Ar est l’incertitude des constantes de désintégration pour 40K. Cette incertitude résulte 1) du schéma de désintégration ramifié du 40K et 2) de la longue demi-vie du 40K (1,25 milliard d’années). Au fur et à mesure que la technologie progresse, il est probable que les constantes de désintégration utilisées dans l’équation d’âge 40Ar/39Ar seront continuellement plus raffinées permettant de déterminer des âges beaucoup plus exacts et précis.
Facteur J
Parce que la valeur J est extrapolée d’un standard à un inconnu, l’exactitude et la précision sur cette valeur J sont critiques. L’incertitude de la valeur J peut être minimisée en contraignant la géométrie de l’étalon par rapport à l’inconnu, à la fois verticalement et horizontalement. Pour ce faire, le NMGRL irradie des échantillons dans des disques d’aluminium usinés où les étalons et les inconnus alternent toutes les deux positions. L’erreur J peut également être réduite en analysant plus d’aliquotes de moniteur de flux par emplacement standard.
39Ar Recoil
Les effets de l’irradiation sur les roches/minéraux contenant du potassium peuvent parfois entraîner des âges apparents anormalement anciens. Cela est dû à la perte nette de 39ArK de l’échantillon par recul (l’énergie cinétique impartie à un atome de 39ArK par l’émission d’un proton pendant la réaction (n,p)). Le recul est probable dans tous les échantillons contenant du potassium, mais ne devient un problème important que pour les minéraux à grains très fins (par exemple les argiles) et le verre. Pour les échantillons multiphases tels que les wholerocks basaltiques, la redistribution du 39ArK peut être un problème plus important que la perte nette de 39ArK. Dans ce cas, le 39Ar peut reculer d’un minéral à basse température et à forte teneur en potassium (par exemple, le feldspath K) vers un minéral à haute température et à faible teneur en potassium (par exemple, le pyroxène). Un tel phénomène affecterait grandement la forme du spectre d’âge.