Les isotopes : une brève introduction

Un isotope est une variante d'un élément chimique. Le plomb, par exemple, existe dans la nature sous quatre formes : le plomb-204, le plomb-206, le plomb-207 et le plomb-208. Ces quatre formes sont chimiquement identiques, elles réagissent de la même façon, forment les mêmes liaisons, ont les mêmes propriétés toxicologiques. Elles diffèrent uniquement par leur masse : le plomb-208 est légèrement plus lourd que le plomb-204.

Cette différence de masse, infime, est mesurable avec des instruments spécialisés appelés spectromètres de masse. Et c'est cette mesure qui ouvre la voie à l'identification des sources.

Comment se forme une signature isotopique

La proportion relative de chaque isotope dans un gisement ou une roche dépend de son histoire géologique. Le plomb-206, le plomb-207 et le plomb-208 sont produits par la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium sur des milliards d'années. Un gisement formé dans une roche riche en uranium accumulera plus de plomb-206 et -207. Un gisement formé dans une roche riche en thorium accumulera plus de plomb-208.

Résultat : chaque gisement de plomb dans le monde a une combinaison unique de rapports isotopiques, qui reflète son âge géologique et la composition en éléments radioactifs de la roche mère. C'est cette combinaison qu'on appelle la signature isotopique.

Source A
Gisement ancien
²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb : 18.2
²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb : 15.6
²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb : 38.1
Source B
Gisement récent
²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb : 17.1
²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb : 15.4
²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb : 37.5
Échantillon
Sol contaminé
²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb : 17.8
²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb : 15.5
²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb : 37.9
Les rapports isotopiques de deux sources de plomb différentes et d'un échantillon contaminé. L'échantillon se situe entre les deux sources, signe d'un mélange dont on peut calculer les proportions.

Pourquoi la signature résiste au temps et aux transformations

C'est là l'une des propriétés fondamentales qui rend cette approche robuste. Quand du plomb est fondu dans un haut-fourneau, broyé en poudre fine, dissous dans l'eau ou précipité sous forme de sel, les rapports isotopiques ne changent pas. Les processus chimiques et physiques ordinaires ne modifient pas la composition isotopique d'un élément lourd comme le plomb.

Ce n'est pas tout à fait vrai pour les éléments légers, les isotopes de l'hydrogène, du carbone, de l'azote ou du soufre sont légèrement fractionnés par certaines réactions chimiques et biologiques. Pour les métaux lourds en revanche, la signature est pratiquement conservée depuis la formation du gisement.

La mesure : un spectromètre de masse haute résolution

Les rapports isotopiques sont mesurés par spectrométrie de masse à source plasma à secteur magnétique multicollection (MC-ICP-MS). L'instrument ionise l'échantillon, accélère les ions et les sépare selon leur masse dans un champ magnétique. La précision atteinte est de l'ordre de 0,01 à 0,1 pour mille, suffisante pour distinguer des sources géologiques qui diffèrent de quelques pour cent.

Ces instruments coûtent plusieurs centaines de milliers d'euros et requièrent des laboratoires spécialisés. L'analyse d'un échantillon prend plusieurs heures de préparation et de mesure.

À retenir
  • Une signature isotopique est la proportion relative des différentes variantes massiques d'un élément dans un échantillon.
  • Elle se forme lors de la cristallisation du gisement, il y a des millions ou des milliards d'années.
  • Elle est conservée lors du transport, de la fusion, de la dissolution et de la précipitation des métaux lourds.
  • Sa mesure nécessite un spectromètre de masse haute résolution.
  • Elle constitue une "empreinte digitale" quasi infalsifiable d'une source.