Centre Européen
de Recherche et d'Enseignement
des Géosciences de l'Environnement

Isotopes radiogéniques et isotopes "non conventionnels"

Plateforme ENVITOP (ENVIronnement isoTOPes) labellisée Plateforme Technologique Aix Marseille

Notre laboratoire est spécialisé dans la géochimie isotopique des environnements terrestres de surface et de subsurface dans le passé et le présent. Les principaux programmes réalisés ou en cours portent sur la reconstitution des climats passés, les grands cycles géochimiques et l’effet des activités anthropiques sur l’environnement.

Nos recherches font appel à la mesure en haute précision des abondances relatives ou absolues des isotopes présents dans l’environnement, à l’état de traces (μg/g) ou d’ultra-traces (ng/g ou moins). Les domaines d'application se répartissent entre deux grandes catégories : le traçage isotopique des sources (signatures isotopiques en strontium, plomb, néodyme, fer, silicium, cadmium, uranium et radium) et la datation absolue par radiochronologie (déséquilibres radioactifs uranium-thorium et uranium-plomb).

Les moyens techniques disponibles comprennent une salle blanche pour la préparation chimique des échantillons, un spectromètre de masse à source plasma et multicollection (MC-ICP-MS), un spectromètre de masse à thermo-ionisation (TIMS) et un spectromètre de masse à source plasma et haute résolution (HR-ICP-MS) équipé d’une source d’ions à ablation laser (LA). Nous sommes en outre équipés d’une microforeuse pour échantillonnnage de solides à haute résolution spatiale et d’un appareil d’analyse élémentaire des ions majeurs en solution par chromatographie ionique (IC).

La plateforme technique

Unité de salles blanches

Cet ensemble destiné à la préparation des échantillons pour leur purification et leur pré-concentration réunit les conditions d’une atmosphère ultra-propre de niveau ISO 5. Répartie sur cinq pièces occupant une surface totale de 80 m2, elle possède sept postes de travail sous hotte à flux laminaire et tout l’équipement asocié : sorbonnes, systèmes de production d’eau ultra-pure, balance de haute précision, boites d’évaporation sous atmosphère filtrée, purificateurs de réactifs …


Vue partielle des salles blanches

Spectromètre de masse à source plasma et multicollection (MC-ICP-MS)

L’instrument de type « Neptune Plus » de ThermoFisher Scientific est équipé de l’interface « Jet », de neuf collecteurs de Faraday (avec une gamme d’amplificateurs à résistances de 1010, 1011 et 1012 ohms), d’un multiplicateur d’électrons secondaires (SEM) et de quatre détecteurs à dynodes discrètes compactes (CDD). L’instrument est dédié aux analyses en haute précision des compositions isotopiques des éléments tels que le strontium, le néodyme, l’uranium, le thorium, le plomb, le fer, le cuivre, le zinc et le cadmium, ainsi que, grâce à la haute résolution, le silicium.


MC-ICPMS Neptune Plus

Spectromètre de masse à thermo-ionisation (TIMS)

Cet appreil de modèle VG Sector 54-30 est muni de sept collecteurs de Faraday et d’une extension constituée d’un filtre électrostatique en énergie suivi d’un détecteur de Daly configuré en mode comptage d’ions. Apprécié pour son efficacité de séparation, sa sensibilité et sa linéarité, il est encore utilisé pour les analyses des isotopes du strontium, du plomb, du thorium et de l’uranium.


Spectromètre de masse VG 54-30

Spectromètre de masse à source plasma et haute résolution (HR-ICP-MS)

De modèle Element-XR, cet instrument effectue des analyses élémentaires et isotopiques sur des échantillons en solution ou solides. Dans ce dernier cas, il est couplé à un système d’échantillonnage de type ablation laser (193 nm) qui permet l’analyse in situ des solides préparés en sections polies ou en lames minces. Le laser apporte une résolution spatiale améliorée avec une échelle réduite à 10 μm (couramment 150 μm).


Spectromètre de masse Element XR

Microforeuse d’échantillonnage

Une micro-perceuse à colonne de type Geomill permet de prélever des veines rocheuses d’épaisseur millimétrique. L’échantillon prélevé sur une surface lisse est récupéré sous forme de poudre, pour être ensuite purifié en salle blanche et analysé en spectrométrie de masse isotopique.

 

Appareil d’analyses élémentaires par chromatographie ionique (IC)

Cet instrument utilisé en analyse élémentaire mesure la concentration des ions majeurs dissous en solution. Le modèle est un Aquion de chez Dionex (Thermo Scientific) équipé d’un passeur d’échantillons et d’un suppresseur autorégénéré. Il peut analyser les anions et les cations dans une gamme de concentrations de 5 ppb à 50 ppm.
 


Analyseur élémentaire par chromatographie ionique Aquion

Les applications

Les travaux effectués sur notre plateforme instrumentale peuvent se regrouper en plusieurs grands axes de recherche :

Géochronologie utilisant les méthodes uranium-thorium et uranium-plomb

Les techniques de datation par les isotopes lourds, en particulier la méthode uranium-plomb, sont bien adaptées à l’étude des minéraux carbonatés. Elles permettent d’étudier l’évolution des propriétés pétrophysiques des réservoirs pétroliers sur des échelles de temps relativement longues (de quelques millions à plusieurs centaines de millions d’années). Les différentes phases de circulation de fluides, ainsi que les précipitations ou dissolutions de phases minérales carbonatées qui en découlent, peuvent en effet fortement modifier la perméabilité et la porosité de ces réservoirs au cours du temps (Godeau et al., 2018). La possibilité d’apporter des contraintes de temps absolues sur ces épisodes diagénétiques, parfois en lien direct avec la migration des hydrocarbures, revêt donc un intérêt crucial pour la compréhension de la chronologie des systèmes pétroliers.

Sur des périodes de temps beaucoup plus courtes (quelques milliers à quelques centaines de milliers d’années), la méthode uranium-thorium est d’une utilité majeure en paléoclimatologie. Elle intervient en effet dans la reconstitution des fluctuations du niveau marin lors des cycles glaciaires-interglaciaires via la datation des récifs coralliens (Bard et al., 1996 a, b ; 2010). On a notamment pu mettre en évidence une brève accélération de la remontée du niveau marin eustatique lors de la dernière déglaciation (Deschamps et al., 2012). En outre, des analyses isotopiques comparées en uranium-thorium et en carbone 14 de coraux fossiles ont permis d’améliorer la précision de ces deux méthodes de datation sur les derniers 16 000 ans (Durand et al., 2013). L’étude des coraux s’applique également à d’autres processus paléocéanographiques, tels que l’évolution pluri-annuelle des températures océaniques (Felis et al., 2012) ou les relations entre climat et tectonique perceptibles dans des microatolls (Weil-Accardo et al., 2016).


Corail de l’espèce Pocillopora meandrina ( © T. Vignaud/CNRS Photothèque)

Les méthodes uranium-thorium et uranium-plomb s’appliquent également à la mesure des vitesses de transfert de matière dans les systèmes géologiques. La datation des spéléothèmes, qui constituent de précieuses archives paléoclimatiques continentales, se fait avantageusement par la méthode uranium-thorium (Pons-Branchu et al., 2010). D’autres applications en bénéficient également, comme l’étude des aspects mécaniques de la cristallisation des travertins (Gratier et al., 2012), ou celle de l’évolution de leur perméabilité (Frery, 2015), ou encore celle de la formation de calcite géodique dans un bassin sédimentaire (Pisapia et al., 2017).

Traçage isotopique des circulations dans les systèmes hydriques naturels

L’hydrogéologie fait également appel aux analyses isotopiques dans le traçage géographique des flux de matière. Ainsi, l’étude des circulations hydriques continentales, lacustres, marines ou océaniques fait couramment appel aux isotopes du strontium, du néodyme, du plomb, de l’uranium et du radium. Elles permettent d’étudier l’alimentation en eau des lagunes (Gattacceca et al., 2011), l’évolution des régimes hydrologiques des deltas (Flaux et al., 2013) ou le fonctionnement des lacs. Le cas du lac Tchad a été l’occasion d’en évaluer le bilan hydrique complet (Amaral et al., 2013 ; Bouchez et al., 2016 ; Poulin et al., 2019 ; Mahamat-Nour et al., 2019). La résilience des grands aquifères souterrains peut également être estimée grâce à l’analyse isotopique (Petersen et al., 2013). La mesure des isotopes du strontium et du néodyme peut encore aider à déterminer la provenance du calcium dans les nodules de carbonate (Dietrich et al., 2017).

Traçage isotopique des milieux anthropisés et des métaux dans l’Environnement

La datation des sites anthropisés est une autre application possible des mesures isotopiques du strontium, du néodyme et du plomb. Ainsi l’occupation des anciens sites côtiers a-t-elle été retracée dans le cas du port antique de Sidon (Véron et al., 2009). Dans les sols, la mesure des isotopes du silicium, du zinc, du cuivre et du fer permet enfin de mieux comprendre les processus géochimiques actifs dans les milieux pollués par l’industrie métallurgique (Gelly et al., 2019).


Dépôt lacustre avec microaiguilles d’aragonite (agrandissement)

 

Contacts

Responsables scientifiques : Pierre Deschamps (CR), Bruno Hamelin (PR), Edouard Bard (PR)

Responsables techniques des salles blanches : Hélène Mariot (AI), Marion Defrance (IE)

Responsable technique du MC-ICP-MS : Abel Guihou (IGR)

Responsable technique du TIMS : Wulfran Barthélemy (IE)