Les méthodes de datations du Les méthodes de datations du Q t iQ t iQuaternaireQuaternaire

RizzaRizza MagaliMagaliggmagali.rizza@gm.univmagali.rizza@gm.univ--montp2.frmontp2.fr

Introduction

morphotectonique

Applications

1) Analyse grande échelle1) Analyse grande échelle 2) Analyse locale 2) Analyse locale Outils et approchesOutils et approches

3) Etude de sites3) Etude de sitesCartographie et MNTCartographie et MNT

4) Datations des surfaces4) Datations des surfaceset paléosismologie et paléosismologie

I. Isotopes radiogéniques –isotopes cosmogéniquescosmogéniques

II. Datations par luminescence

I L i t di é i i t I. Les isotopes radiogéniques – isotopes cosmogéniques

1 Introduction – Rappels1. Introduction Rappels

2. Différents isotopes utilisés en morphotectonique

2.1. Le 10Be2 2 le 36 Cl2.2. le Cl2.3. Le 14C

I.1. Introduction - Rappels

Définition : Eléments chimiques de même numéro atomique (et donc de même nom et de même position dans la classification de Mendeleïev) même nom et de même position dans la classification de Mendeleïev), mais qui diffèrent par leur masse atomique.

Foucault et Raoult, 2003

I.1. Introduction - Rappels

Equation de la radioactivité : Nt = N0 e –λt

où N0 : Nombres d’atomes de l’élément père à l’instant initial (non 0 m m m p (déterminable)

Nt : Nombre d’éléments fils (déterminable) présents à la date tλ : constante radioactive (s -1)( )

Temps de demi-vie

Equation de la demi-vie : t = ln2/λp

10Be 1,5.106 ans26Al 7,2.105 ans36Cl 3.105 ans14C 5730 ans7B 53 17 j

Les nucléides cosmogéniques produits dépendent du type de composition

7Be 53,17 jours

Les nuclé des cosmogén ques produ ts dépendent du type de compos t on minérale de la roche

2.1. Le 10Be (Beryllium)

Utilisation du Quartz Rapport entre 9Be et 10BeT il d é ti d’é h till l t lib éTravail de préparation d’échantillon long et calibré Passage au spectromètre de masse

Spectromètre de masse ASTER, CEREGE, Aix-en-Provence

Les principales équations à connaître

Taux de production des cosmonucléides en surface :

30 ).(²).().()(),( zLdzLczLbLazLP 0

Avec:Avec:P0 : taux de production en surface (at/g/an)L : latitude (°)z: altitude (km)a,b,c,d: coefficients fonction de L

Le taux de production des isotopes est fonction :- de la latitudede la latitude- l’altitude- la profondeur densité du matériel- angle d’incidenceg-masques de la topographie

Valeur de pénétration Λ : 160 g.cm-2

L : 1300 g.cm-2

Exemple : Exemple : Pour une roche de densité d = 2.6 g.cm-3 alors on a z = 60 cmPour une roche de densité d = 1.5 g.cm-3 alors on a z > 1m

Atténuation théorique en fonction de la profondeur

x.

ePxP 0)(Avec :P(x): taux à la profondeur x (at/g/an)P t d d ti f ( t/ / )P0: taux de production en surface (at/g/an)ρ : densité du matériel (g/cm3)Λ: coefficient de pénétration (150 g/cm3)Λ: coefficient de pénétration (150 g/cm )

Evolution temporelle de la concentration en 10Be en profondeur pour un profil avec héritage N0

Problème de l’héritage!

Equation différentielle prenant en compte les pertes et l ’érosion

x

ePtxCtxCtxC .

0.),(),(),(

xt 0),(

Avec:Avec:C : concentration du 10Be (at/g)x: profondeur (cm)pt: temps (an)λ: constante de décroissance radioactive (4,67.10-7/an)ε: taux d’ér si n ( /cm²/an)ε: taux d érosion (g/cm²/an)

Pour résoudre cette équation : ε et rayonnement cosmique sont constants au cours du temps

Evolution théorique de la concentration en 10Be avec le temps d’exposition pour différents taux d’érosion

Notion d’état d’équilibre

Détermination du taux d’érosionEn utilisant une surface à l’état d’équilibreEn utilisant une surface à l état d équilibre

)( 0 P

)

),0((

0

CC

)/(':),0( gatéquilibresurfaceàldeionconcentratC )/(_:

)/(__:),0(

0 gatinitialeionconcentratCgatéquilibresurfaceàldeionconcentratC

Détermination de l’âge minimum

E tilis t é si llEn utilisant une érosion nulle

)0(1 tC )),0(.1(1

0min P

tCLnt

0

Stratégies d’échantillonnage

Stratégie de type statistique : collecte deroche en surface en tenant compte de laroche en surface en tenant compte de lalocalisation, la géométrie et l’altération.Permet de déterminer la concentrationsuperficielle moyenne d’une surface.p f y f

Stratégie de type profil : prélèvementd’échantillons le long d’un profil end échantillons le long d un profil enprofondeur. Permet de comparer ladistribution en profondeur avec la loi dedécroissance.décroissance.

Etudes de Cas

Profondeur 10Be (at/g)(cm)

0 2 080 052

10 1 665 509

Présenter la répartition du 10Be en fonction de la profondeur.

10 1 665 509

35 1 557 971

75 827 970

Discuter le graphique

C l l l’â i i â à l’é h till75 827 970

130 512 377

200 408 571

Calculer l’âge minimum grâce à l’échantillon de surface avec P0 = 18.33 at/g/an et λ=4.67.10-

7 an-1

200 408 571

Déd i l it à l t â à l f 1 ?S1 ~ 80 ka

Déduire la vitesse à long terme grâce à la surface1 ?

Ritz et al, 2006

2.2. Le 36Cl (Chlore)

Glissement co-sismique

Thèse Schlagenhauf A., modifié d’après Palumbo et al., 2004

Exemple d’application de la méthode 36Cl sur un escarpement calcaire de faille normale active (d’après Benedetti et al., 2002).

a) Photographie du site d’Anogia sur la faille de Sparte Grèce montrant l’échantillonnage vertical réalisé poura) Photographie du site d Anogia sur la faille de Sparte, Grèce, montrant l échantillonnage vertical réalisé pourles mesures des concentrations en 36Cl.

b) Concentrations 36Cl mesurées(croix) en fonction de la hauteur de l’escarpement pour les deux siteséchantillonnés sur la faille de Sparte(Anogia et Parori), et modèles correspondants (lignes continues). Lesâges et les déplacements indiqués sont ceux des séismes modélisés Le graphique en encart représenteâges et les déplacements indiqués sont ceux des séismes modélisés. Le graphique en encart représentepour les deux sites repérés par leurs couleurs respectives, la différence entre le modèle et les données enpourcentage.

2.3. le 14C

Plus anciennement pratiqué Réaction entre particules cosmiques/azote 14C oxydé gaz carbonique 14CO 14C oxydé gaz carbonique 14CO2 Assimilation par les plantes Ages fournis sont en BP (année de référence 1950)

3 phénomènes de contrôle :- flux de particules cosmiques incidentes- flux de particules cosmiques incidentes- intensité du champ magnétique terrestre- échanges entre les réservoirs de Carbone

• Azote (14N) se transforme en 14C qui se combine à l'oxygène libre (O ) pour former • Azote (14N) se transforme en 14C qui se combine à l oxygène libre (O2) pour former du CO2, (14CO2)• Ce 14CO2 se mélange au CO2 qui vient des autres sources (volcans, oxydation des MO, …)• Photosynthèse consomme du CO2 atmosphérique (12C et en partie du 14C)• Rapport 14C et 12C le même tout au long de la vie de l'organisme = rapport trouvé dans le CO2 atmosphérique. • Horloge démarre avec la mort de l'organisme; la proportion commence alors à • Horloge démarre avec la mort de l organisme; la proportion commence alors à changer à cause de la désintégration du 14C et du fait que le 12C demeure stable.

flux de rayons cosmiques reçu dans la haute atmosphère terrestre varie suite auxévolutions du champ magnétique terrestre et du champ magnétique solaire.

«Dérive du 14C» correction et calibration (dendrochronologie)

La dendrochronologie

Anneaux de croissanceAnneaux de croissance

Développé par A. Douglass (USA)

Largeur de l’anneau est fonction deg f

-températures

-précipitationsp p

Limitations:

- Enregistrement de référence

- Périodes glaciaires

Les matériaux utilisés pour les datations au 14C

Fiabilité des différents types d’échantillons?

té i i b à d é d i l- matériaux organiques : arbres à durée de vie longue

- matériaux carbonatés : recristallisation secondairecoquille marine coquille lacustrecoquille marine, coquille lacustreconcrétion calcaire : impropre à la datation

mollusque terrestre : formation de la coquille- mollusque terrestre : formation de la coquille

- œufs d’oiseaux : graviers de carbonate

Etudes de cas

D’après Dawson et al., 2003

D’après Dawson et al., 2003D après Dawson et al., 2003

II. Datations par luminescence

1. Modèle des bandes2 P i i d l éth d2. Principes de la méthode3. La Luminescence optique (OSL)

III.1. Modèle des bandes

1. Lors de l’ionisation électron et trou piégés2. L’énergie s’accumule pendant la durée de stockage3 En éclairant ou en chauffant on libère l’électron Il se recombine 3. En éclairant ou en chauffant, on libère l électron. Il se recombine

avec un centre luminogène d’où émission de lumière.

III.2. Principes de la méthode

Quantité de lumière émise est Quantité de lumière émise est proportionnelle à la quantité de charges piégées (dose reçue)

Supposition d’irradiationnaturelle constante dans le temps

Datation 0 à 300 ka

Erreur commise ~10%

Précision : dose environnementale

Quartz et feldspaths

Le principal avantage : grande sensibilité du signal dater p p g g gde très jeunes échantillons.

Détermination de la dose environnementale

Méthodes de prélèvements

Prélèvement pour la dose équivalente(equivalent dose)

Prélèvement pour la dose environnementale(dose rate)

Méthode de prélèvement sous couverture

Matériel nécessaire

Appareillage

III.3. La luminescence (OSL)

Différence entre signal TL du quartz et du feldspath

Histogramme de la fréquence de répartition

Erreur relative simuléeErreur relative simulée

Les différences entre nature d’échantillons

Bailey et al, 2006Problème des échantillons mal blanchis

Bailey et al, 2006

Archéologie (TL) Géologie (OSL/IRSL)

PoteriesTerre-cuite

Roches ignées ( volcans)Calcite (stalagmites)Terre-cuite

Sculpture en terre-cuiteFoursPierres brulées

Calcite (stalagmites)LoessDunesCratères de météoritesPierres brulées

Outils et silex chauffésCratères de météoritesSurfaces alluviales

Limites de la méthode

durée depuis le dernier temps de chauffe pour la TL durée depuis le dernier temps de chauffe pour la TL matériel doit contenir quartz, feldspaths ou zircon «capacité d’emmagasinage» des minéraux : 700 000 ans

Etudes de cas

200 m

57 ± 5 m 59 ± 14 m

Rizza et al, 2011

Rizza et al, 2011

σ= 13 %31.8 ± 1.9 ka

180-150 µm

150-90µm

σ= 34 %µ

Vitesse ????

σ= 15 %180-150 µm

31 8 ± 1 9 ka

150 90µm

31.8 ± 1.9 ka

σ= 34 %150-90µm

Rizza et al, 2011

Un gigantesque glissement de terrain, MongolieBalescu et al, 2007

Balescu et al, 2007

Analyses paléosismologiques à Analyses paléosismologiques à UlaanUlaan BulagBulag (Mongolie)(Mongolie)

19571957

3.41 ± 0.34 ka

3

22 8150-8560 cal BP

3

5.08 ± 0.56 ka

3

14.0 ± 1.65 ka

10.6 ± 0.71 ka

Thèse M. Rizza, 2010

4 séismes depuis 14 ka

3.1 ka <Penultième < 5.6 ka

Intervalle moyen : 4500 ± 1200 ans