Deux propriétés fondamentales
L'utilité des isotopes stables comme traceurs repose sur deux propriétés fondamentales qui semblent contradictoires au premier abord.
La première : les isotopes d'un même élément ont des abondances relatives différentes selon les sources géologiques. Un gisement de plomb formé il y a 500 millions d'années dans une roche riche en uranium n'a pas les mêmes proportions de ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb et ²⁰⁸Pb qu'un gisement formé il y a 2 milliards d'années dans une roche riche en thorium. Cette variabilité naturelle est la base de la discrimination entre sources.
La seconde : ces proportions ne changent pas lors des transformations chimiques et physiques ordinaires. Le plomb fondu, dissous, précipité ou transporté par un cours d'eau conserve les mêmes rapports isotopiques que le plomb dans le gisement d'origine. Cette conservation est ce qui rend la signature isotopique utilisable longtemps après l'extraction et le transport.
Pourquoi les proportions varient entre sources
Pour les métaux lourds comme le plomb, la variabilité isotopique entre sources est principalement d'origine radiogénique. Le plomb-206, le plomb-207 et le plomb-208 sont les produits finaux de la désintégration radioactive de l'uranium-238, de l'uranium-235 et du thorium-232 respectivement. Ces désintégrations se déroulent sur des centaines de millions à des milliards d'années.
Un gisement de plomb "hérite" donc d'une proportion de plomb radiogénique qui dépend de la quantité d'uranium et de thorium présente dans la roche mère et du temps écoulé depuis la formation du gisement. Chaque gisement a une histoire géologique unique, ce qui se traduit par une signature isotopique unique.
Imaginez que vous entendiez quelqu'un parler sans le voir. Son accent vous renseigne sur sa région d'origine, même s'il parle la même langue que tout le monde. De même, deux morceaux de plomb "parlent" la même chimie (ils réagissent identiquement) mais leur "accent isotopique" révèle leur région d'origine géologique. Et tout comme un accent ne disparaît pas quand on déménage, la signature isotopique ne change pas quand le métal est transporté.
Pourquoi la signature se conserve
La conservation de la signature isotopique lors des transformations physico-chimiques tient à une propriété fondamentale : les réactions chimiques ordinaires n'impliquent que les électrons, pas le noyau. Or ce sont les neutrons supplémentaires dans le noyau qui distinguent les isotopes. Une réaction de précipitation, une adsorption sur une surface minérale, une fusion métallurgique, aucun de ces processus ne touche au noyau des atomes impliqués.
Il existe bien des processus qui modifient légèrement la composition isotopique (les fractionnements isotopiques) mais ils produisent des décalages de l'ordre du pour mille, prévisibles et modélisables. Pour les métaux lourds, ces décalages sont faibles devant les différences entre sources, ce qui préserve la capacité discriminante de la méthode.
La mesure : un rapport, pas une concentration
Ce qu'on mesure en géochimie isotopique n'est pas la concentration absolue d'un isotope, mais le rapport entre deux isotopes d'un même élément. Par exemple, ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, ou ¹²¹Sb/¹²³Sb. Ce rapport est indépendant de la concentration totale de l'élément dans l'échantillon : que l'on mesure un sol contenant 10 mg/kg de plomb ou 10 000 mg/kg, le rapport isotopique est le même si les deux échantillons proviennent de la même source.
C'est cette indépendance vis-à-vis de la concentration qui rend les rapports isotopiques si puissants comme traceurs : la dilution n'efface pas la signature.
Quand la méthode a ses limites
La méthode perd de son pouvoir discriminant quand deux sources ont des signatures isotopiques trop proches pour être distinguées avec la précision analytique disponible. C'est le cas parfois pour des gisements du même district minier, formés dans des conditions géologiques similaires. Dans ce cas, il faut combiner plusieurs systèmes isotopiques différents pour augmenter la résolution de la discrimination.
- Les isotopes sont des traceurs parce que leurs proportions relatives varient entre sources géologiques.
- Ces proportions se conservent lors des transformations physico-chimiques ordinaires.
- Ce qu'on mesure est un rapport entre deux isotopes, indépendant de la concentration totale.
- La dilution ne détruit pas la signature isotopique.
- Combiner plusieurs systèmes isotopiques augmente la résolution de la discrimination entre sources.