Qu'est-ce qu'un géochronomètre ?
Un géochronomètre isotopique exploite la désintégration radioactive d'un isotope père en un isotope fils à un taux constant et connu. Ce taux, exprimé par la constante de désintégration lambda, est indépendant des conditions physiques et chimiques : température, pression, composition chimique du milieu. C'est cette invariance qui fait des géochronomètres des horloges d'une fiabilité exceptionnelle à l'échelle géologique.
Le principe repose sur la mesure du rapport entre l'isotope père résiduel et l'isotope fils accumulé depuis la fermeture du système. La fermeture du système est l'événement géologique que l'on date : elle correspond le plus souvent à la cristallisation d'un minéral à partir d'un magma, à la recristallisation métamorphique, ou au refroidissement d'une roche sous une température seuil appelée température de fermeture.
Les trois grands systèmes
Le système Rb-Sr repose sur la désintégration du rubidium-87 en strontium-87 avec une demi-vie de 48,8 milliards d'années. Il est particulièrement adapté aux roches riches en feldspaths et en micas (granites, métapélites). La méthode de l'isochrone consiste à mesurer le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr et le rapport ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr dans plusieurs minéraux co-génétiques d'un même échantillon. L'alignement de ces points sur une droite dans un diagramme isochrone fournit à la fois l'âge et la composition isotopique initiale en strontium, qui est elle-même une information sur la source mantellique ou crustale du magma parent.
Le système Sm-Nd utilise la désintégration du samarium-147 en néodyme-143 (demi-vie de 106 milliards d'années). Ce système est particulièrement précieux pour dater les roches mafiques et ultrabasiques riches en minéraux ferromagnésiens, où le Rb-Sr est moins applicable. Le paramètre epsilon Nd mesure l'écart de la composition isotopique en Nd d'un échantillon par rapport à un réservoir de référence (CHUR), et renseigne sur la nature mantellique ou crustale de la source.
Le système U-Pb est le plus précis et le plus utilisé pour les roches anciennes. Il exploite deux chaînes de désintégration parallèles (²³⁸U vers ²⁰⁶Pb et ²³⁵U vers ²⁰⁷Pb) qui permettent une double vérification interne de la concordance. Le minéral de choix est le zircon, dont la structure cristalline incorpore l'uranium mais rejette le plomb lors de sa formation, ce qui garantit que tout le plomb radiogénique mesuré s'est formé in situ depuis la cristallisation.
La concordia de Wetherill est une courbe dans l'espace (²⁰⁷Pb/²³⁵U, ²⁰⁶Pb/²³⁸U) sur laquelle se trouvent tous les zircons dont les deux chronomètres U-Pb donnent le même âge. Un point qui s'écarte de cette courbe (discordance) indique une perte de plomb ou un gain d'uranium postérieur à la cristallisation. L'intersection de la droite discordia avec la concordia donne à la fois l'âge de cristallisation et l'âge de la perturbation.
Applications en géologie et en traçabilité isotopique
Les géochronomètres sont utilisés pour établir l'échelle des temps géologiques, reconstituer l'histoire thermique des chaînes de montagnes, dater les événements d'impact et les épisodes d'extinction, et contraindre les modèles d'évolution du manteau terrestre. Leur application à la traçabilité isotopique des métaux est plus indirecte : les compositions isotopiques en plomb héritées de la désintégration de l'uranium et du thorium constituent les signatures géologiques exploitées pour l'attribution de source de minerais et de contaminants métalliques.
- Un géochronomètre exploite la désintégration radioactive d'un isotope père en fils à taux constant.
- La fermeture du système correspond à l'événement daté : cristallisation, métamorphisme, refroidissement.
- Les trois systèmes principaux sont Rb-Sr (roches felsiques), Sm-Nd (roches mafiques) et U-Pb (zircon, haute précision).
- Le système U-Pb sur zircon est le plus précis grâce à la double chaîne de désintégration et au diagramme concordia.
- Les compositions isotopiques en Pb héritées des chaînes U-Pb et Th-Pb sont les traceurs utilisés en traçabilité des métaux.