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Nucléides cosmogéniques

L’équipe « Nucléides Cosmogéniques » regroupe l’ensemble des chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs et techniciens travaillant au développement aussi bien de la technique de Spectrométrie de Masse par Accélérateur (SMA) que de nouveaux champs d’application ouverts par l’amélioration constante des performances de cette technique. Cette équipe a la responsabilité de l’ensemble des installations et équipements constituant le Laboratoire National des Nucléides Cosmogéniques (LN2C), à savoir les laboratoires de préparation chimique et l’instrument national ASTER (Accélérateur pour les Sciences de la Terre, Environnement, Risques) détaillés ci-dessous. Le développement de la Spectrométrie de Masse par Accélérateur a en effet considérablement stimulé, parallèlement à l’utilisation du 14C (période = 5.730 ans), celle d’autres éléments formés par interaction entre le rayonnement cosmique et les constituants de l’environnement terrestre, c’est à dire celles d’autre nucléides cosmogéniques comme 41Ca (période = 0,1.106 ans), 36Cl (période = 0,3.106 ans) , 26Al (période = 0,72.106 ans),10Be (période = 1,38.106 ans), 53Mn (période = 3,7.106 ans) , et 129I (période = 16.106 ans).

Cette technique résulte de la conjonction :

  • de l’évidence qu’il est préférable de compter un à un les atomes radioactifs présents dans un échantillon plutôt que d’attendre qu’ils décroissent par désintégration et,
  • de la possibilité de réaliser ce décompte grâce aux accélérateurs de particules conçus durant les décennies précédentes pour les besoins de la physique nucléaire. L’utilisation d’un accélérateur de particules est en effet rendue nécessaire par l’abondance extrêmement faible des nucléides cosmogéniques dans les milieux naturels qui impose de caractériser un élément spécifique non seulement par sa seule masse mais aussi par sa structure nucléaire, et notamment son nombre de protons. Seule une étape d’accélération des atomes à détecter permet d’atteindre les conditions nécessaires à la caractérisation du nucléide étudié.

Une des avancées les plus remarquables liée au développement de cette technique d’analyse est l’amélioration d’un facteur un million à un milliard de la sensibilité de détection relativement aux techniques plus classiques et pour l’ensemble des éléments étudiés jusqu’à ce jour. Cette amélioration a de nombreuses conséquences. Grâce à la Spectrométrie de Masse par Accélérateur, il est dès lors possible :

  • de travailler à partir de quantités de matière beaucoup plus faibles que celles nécessaires aux autres techniques,
  • de dater plus de types d’objets différents sur une gamme temporelle beaucoup plus étendue que celle accessible auparavant,
  • de réduire considérablement la durée nécessaire à l’acquisition des résultats,
  • de très sensiblement simplifier les manipulations physiques et chimiques nécessaires à la préparation des échantillons pour leur analyse.

  • Ainsi, l’ensemble des informations dès lors générées par les nucléides cosmogéniques formés dans l’atmosphère est devenu fondamental pour comprendre les interactions entre les différents compartiments de l’environnement terrestre, et entre ces compartiments et l’environnement extra – terrestre. De plus, ces nucléides cosmogéniques apparaissent comme de puissants outils de datation absolue de différents types de substrats sur des gammes temporelles jusqu’ici inatteignables en continu. Similairement, la possibilité récente offerte par les nucléides cosmogéniques produits directement dans la croûte terrestre d’investiguer quantitativement par exemple,
  • les déformations tectoniques et donc de préciser l’aléa sismique,
  • la paléoclimatologie continentale,
  • les interactions érosion - tectonique,
  • les processus de mise en place et d’évolution des surfaces continentales,
  • le développement des profils d’altération,
  • l’estimation de taux d’érosion à l’échelle de bassins versants, a révolutionné les disciplines scientifiques concernées en apportant aux communautés impliquées les moyens nécessaires à des études cinétiques, dynamiques et temporelles des processus superficiels.

En premier lieu, l’équipe « Nucléides Cosmogéniques » consacre une grande partie de ses efforts à des développements méthodologiques permettant de continûment améliorer la justesse et la précision des données issues de la Spectrométrie de Masse par Accélérateur et d’étendre les champs de ses applications. Parmi ceux-ci, citons notamment :

  • la détermination précise des paramètres physiques contrôlant les processus de production des nucléides cosmogéniques dans l’environnement terrestre ;
  • l’utilisation croisée de plusieurs nucléides cosmogéniques sur un même objet à des fins de calibration des taux de production les moins bien contraints et de détermination des taux de production dans de nouvelles phases minérales ;
  • l’utilisation simultanée de plusieurs nucléides cosmogéniques sur un même objet afin d’en déterminer l’histoire complexe d’exposition au rayonnement cosmique ;
  • développement de modèles d’accumulation des nucléides cosmogéniques le long d’escarpements de faille et le long de profils en profondeur dans des dépôts sédimentaires à des fins de quantification de vitesse de propagation et de détermination conjointe de l’âge du dépôt et du taux de dénudation l’affectant ;
  • amélioration des protocoles de préparation physico-chimiques des échantillons ;
  • développements méthodologiques auprès d’ASTER afin d’améliorer à la fois ses performances et son efficacité. Citons par exemple l’automatisation complète et particulièrement fiable de l’ensemble de l’équipement national permettant son fonctionnement sécurisé 24h/24 et 7j/7 ainsi que le développement d’une nouvelle source d’ions réduisant significativement l’effet mémoire pour les éléments volatils tels que 36Cl et 129I.

Bienvenus chez les cosmo-géniaux !