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

LN2C - Principes des Nucléides Cosmogéniques

Le rayonnement cosmique

Notre planète est en permanence impactée par un flux de particules très énergétiques en provenance de l’espace et qui constituent le rayonnement cosmique. L'existence de ce rayonnement a été découverte au début du 20ème siècle notamment par les expériences en ballon de Victor Hess (Prix Nobel de Physique 1936). On distingue deux types de rayonnements : 

  • un rayonnement primaire principalement constitué de protons (85%), de particules alpha (noyaux d’Hélium, 12%). La partie restante (3%) est formée de noyaux lourds et électrons.  L’origine la plus communément admise pour le rayonnement cosmique est l’accélération par des ondes de choc, telles que celles générées par l’explosion d’une supernova, de plasmas interstellaires. Si les particules les plus énergétiques du rayonnement cosmique proviennent donc de l’extérieur du Système Solaire, des particules énergétiques sont également produites par le Soleil. Les composantes solaires et galactiques diffèrent par leurs compositions, leurs distributions en énergie et leurs intensités en fonction du temps.

  • un rayonnement secondaire résultant des impacts des particules du rayonnement primaire sur les constituants de l'atmosphère qui entraîne la formation de gerbes cosmiques (neutrons et muons). Lorsque les particules du rayonnement cosmique primaire pénètrent dans l’atmosphère terrestre, une cascade de réactions nucléaires va se produire avec les atomes constituant l’atmosphère. Leur énergie est ainsi dissipée au fil de ces réactions nucléaires. Le flux et l’énergie des particules primaires et des particules secondaires (essentiellement des neutrons) produites dans les cascades nucléaires décroissent rapidement selon une loi exponentielle fonction de l’épaisseur d’atmosphère traversée.

Les nucléides cosmogéniques

La très forte énergie des rayons cosmiques leur permet de déclencher des réactions nucléaires lorsqu'ils impactent les noyaux des éléments constituant l'atmosphère et la sub-surface terrestre. L’essentiel des réactions se produit dans la haute atmosphère. Au niveau référence, c’est-à-dire au niveau de la mer, il ne reste seulement que 0,00003% de protons primaires. De même, pratiquement toutes les particules du rayonnement secondaire dissipent leur énergie dans l’atmosphère. Seulement environ 0,1% des particules secondaires atteignent le niveau référence avec suffisamment d’énergie pour induire des réactions nucléaires dans les minéraux composant les roches de la croûte terrestre exposées à la surface.

Les noyaux atomiques qui sont produits par les réactions nucléaires entre des atomes cibles constituant l’atmosphère terrestre (production atmosphérique) ou les minéraux des roches constituant la croûte terrestre (production in situ, jusqu’à quelques mètres sous la surface) et les particules du rayonnement cosmique (primaire ou secondaire) sont communément appelés nucléides cosmogéniques.

Ces réactions nucléaires sont majoritairement des réactions de spallation, c’est-à-dire des réactions au cours desquelles la particule impactante (majoritairement un neutron) a suffisamment d’énergie pour arracher des particules constitutives (neutrons et protons) au noyau atomique cible sans être capturée, et donc laisser comme résidu un noyau d’une espèce chimique différente puisque à la fois le numéro atomique (nombre de protons) et le nombre de masse (nombre de protons + nombre de neutrons) sont inférieurs à celui du noyau cible originel.

Dans l’atmosphère le taux de production des nucléides cosmogéniques décroît lorsque l’altitude diminue, dû au flux des particules qui diminue avec l’épaisseur d’atmosphère traversée. Dans la croûte terrestre le taux de production des nucléides cosmogéniques, décroît en fonction de la profondeur de matière traversée selon une loi exponentielle.

Isotope Noyaux cibles principaux Minéraux d'intérêt Période
Spallation Capture neutrons thermiques Capture muons
3Hein situ Élements majeurs 6Li   Olivine et pyroxène stable
10Bein situ 16O, 28Si 9Be 16O, 28Si quartz 1,39 Ma
14Cin situ 16O, 28Si   16O quartz 5730 a
21Nein situ 23Na, 24Mg, 27Al, 28Si   23Na, 24Mg, 27Al quartz, pyroxene et olivine stable
26Alin situ 28Si   28Si quartz 708 ka
36Clin situ 40Ca, 39K 35Cl 40Ca,  39K Carbonates, feldspaths 301 ka

A titre d’exemple, la production de nucléides cosmogéniques in situ est de l’ordre de quelques dizaines à centaines d’atomes par gramme de roche et par an à la surface, résultant en des concentrations mesurées de l’ordre de quelques milliers (103) à millions (106) d’atomes par gramme de roche. A titre de comparaison le nombre total d’atomes dans un gramme de roche est de l’ordre de plusieurs milliers de milliards de milliards (1022). Ces très faibles abondances dans les échantillons étudiés nécéssitent l'emploi de techniques de préparation et de mesure spécifiques.

Applications en géochronologie

Les nucléides cosmogéniques consituent un outil extrêmement versatile, permettant de nombreuses applications géochronologique.

L'accumulation au cours du temps des cosmonucléides produits in situ dans les roches de surface et de subsurface dépend de la durée d'exposition, de la vitesse de de dénudation de la surface en réponse aux processus d'érosion et de la décroissance radioactive du nucléide considéré. Ainsi, une surface exposée va d'abord voir sa concentration augmenter en proportion du taux de production local jusqu'à atteindre un état d'équilibre où les gains et les pertes se compensent, avec une concentration inversement proportionnelle à la vitesse de dénudation de la surface. Les concentrations mesurées dans des objets aussi variés que des moraines et polis glaciaires, des terrasses et cônes alluviaux, ou bien des sédiments peuvent être interprétées en terme d'âge de ces objets ou bien de vitesse d'érosion (ou les deux). 

accumulation cosmos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En ce qui concerne les cosmonucléides produits dans l’atmosphère, les teneurs en 10Be atmosphérique dans les sédiments et les glaces sont souvent interprétées en termes de variation du champ magnétique terrestres. Le rapport 10Be/9Be est dans certaines situations utilisé comme un marqueur des vitesses de d’altération.