Journal de Saclay n°32 - CEA Saclay

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Le Temps ses pour les derniers 450 000 ans. Une voie de progrès consiste par ailleurs à rechercher des indicateurs valables en tous points du globe pour réaliser des datations synchrones et reconstituer de manière encore plus fiable des séquences d’événements 3 climatiques. 1 Les isotopes d’un élément ont tous les mêmes propriétés chimiques Le saviez-vous Dater un bassin de géothermie Pour évaluer l’intérêt d’un site de géothermie, la datation par K-Ar de la dernière activité volcanique majeure renseigne sur les potentialités thermiques du bassin. mais diffèrent légèrement par leur masse. 2 Les mots en couleur et en gras sont expliqués dans le Zoom. 3 Seuls les êtres vivant dans la couche océanique superficielle sont en équilibre avec le 14 C atmosphérique. 4 Ionisant : capable d’arracher un ou plusieurs électrons aux atomes. 5 Plus précisément le rapport 18 O/ 16 O (oxygène 18 sur oxygène 16). 1 Aux Canaries, la lave a jadis recouvert une forêt, transformant le bois en charbon : des mesures de 14 C et de potassium – argon ont pu être comparées sur des échantillons contemporains. 2 Les stalagmites (ici la grotte de Villars, en France) recèlent des informations climatiques datables par la méthode uranium - thorium. 3 Découpe des carottes de glace et préparation des échantillons (qui seront analysés ultérieurement en Europe), sur le site de forage en Antarctique. Zoom Des chronomètres radioactifs L’incorporation d’un élément radioactif à un objet peut être datée de manière absolue par la mesure des teneurs en père restant et en fils (voir encadré p.5). C’est notamment le cas des méthodes potassium–argon (K-Ar), argon – argon (Ar-Ar) ou uranium–thorium (U-Th). Dans une datation K-Ar sur basaltes (ou Ar-Ar sur cendres volcaniques), le potassium radioactif contenu dans ces roches engendre un gaz, l’argon, qui s’est trouvé piégé dans l‘échantillon après l’éruption. La mesure du potassium (père) et de l’argon (fils) permet de dater celle-ci. La méthode U-Th utilise l’aptitude des coraux et de certains mollusques (ptéropodes) à incorporer l’uranium océanique respectivement dans leur squelette et leur coquille. Ce processus s’interrompant à la mort de l’animal, la mesure de l’uranium (père) et du thorium (descendant stable) permet de dater cet événement. Carbone 14 : des mesures à calibrer Le 14 C est produit dans la haute atmosphère sous l’effet des rayonnements cosmiques. Les végétaux et les êtres vivants l’incorporent durant la photosynthèse et dans la chaîne alimentaire. La mesure de 14 C permet de dater la fin de ces échanges de carbone, c’est-à-dire leur mort. Dans le cas du 14 C, le fils est un gaz (azote 14) qui ne peut pas être différencié de l’azote commun. La teneur initiale en 14 C au sein du carbone de l’échantillon reste inconnue. En effet, le champ magnétique terrestre a considérablement varié, sa polarité s’est même renversée. Comme il joue un rôle de bouclier vis-à-vis des rayonnements, la teneur atmosphérique en 14 C a également beaucoup varié. La méthode n’est donc qu’une mesure relative, qu’il faut calibrer. Il faut quantifier, au moyen de datations croisées, la différence entre les âges absolus et les âges 14 C. Les résultats conduisent à des précisions très inégales sur les âges 14 C suivant la période considérée. 8 Photo : grotte ornée de calcaire corallien située sur le site de Fetra-Hé, dans l'île de Lifou (îles Loyauté) en Nouvelle-Calédonie. Ces mains négatives ont été datées par des chercheurs du LSCE par la méthode du carbone 14 en spectrométrie de masse par accélérateur (Tandétron à Gif-sur-Yvette). Il y a près de 2 600 ans, des artistes les ont produites en mâchant du charbon puis en le soufflant sur leurs mains. Des dessins de coq et d'anneau (symbole de l'eau dans la culture kanake) témoignent d'occupations plus récentes de la grotte. Ces recherches menées en collaboration avec le Musée de Nouvelle-Calédonie permettent de reconstituer l'histoire du peuplement du Pacifique à partir de l'Asie du Sud-est. Venues dans de grandes pirogues, ces populations néolithiques ont également laissé des poteries aux décors géométriques pointillés (poterie Lapita) sur un espace insulaire de plus de quatre mille kilomètres d'étendue.
ENQUÊTER À DE GRANDES DISTANCES TEMPORELLES Le Temps L’analyse de vestiges anciens, qu’ils soient archéologiques ou astronomiques, permet de reconstituer des événements passés ou de prédire l’avenir. LA CORROSION SUR DES MILLIERS D’ANNÉES La question posée est simple : cet acier tiendra-t-il des milliers d’années La réponse est à rechercher du côté de la modélisation et des fers anciens. 1 Le stockage profond de déchets nucléaires à haute activité et vie longue requiert des conteneurs qui restent étanches pendant plusieurs milliers d’années. Comment garantir qu’un acier tiendra sur de telles durées Les spécialistes de corrosion du Département de physico-chimie 1 (DPC) ont imaginé une méthodologie innovante qui fait appel aux connaissances les plus récentes sur l’évolution des interfaces et aux analogues archéologiques, autrement dit aux fers anciens qui ont échappé à la destruction. Un exemple fameux est fourni par les colonnes votives en Inde : malgré la mousson, ces monuments se sont très peu corrodés en plus de mille cinq cents ans. Plusieurs causes sont avancées pour expliquer cette « anomalie » : la composition du minerai et les conditions climatiques auraient concouru à la formation d’une couche d’oxyde durablement protectrice. Identifier et modéliser un mécanisme Les essais en laboratoire permettent aux chercheurs du DPC d’identifier les mécanismes de corrosion qui sont ensuite modélisés en vue de réaliser des prédictions. Les analyses, réalisées au DPC et au laboratoire Pierre Süe 2 , de structures en fer du Palais des Papes d’Avignon ou de fers de l’époque gallo-romaine ont ainsi permis de valider mécanismes et prédictions. Les comparaisons portent en particulier sur les couches de rouille (épaisseur, structure, composition) et les vitesses de corrosion. Pour les conteneurs, la préférence des chercheurs du DPC va a priori à des aciers ordinaires, composés essentiellement de fer, qui ont tendance à se corroder de manière uniforme et lente 3 , plutôt qu’à des aciers réputés inoxydables. En effet, l’inox est recouvert d’une 3 couche superficielle très mince qui bloque en principe la corrosion généralisée mais ne protège pas contre les piqûres, susceptibles de percer le matériau de plusieurs centimètres en un an. La teneur en carbone, phosphore ou silicium, la conception des soudures et plus fondamentalement, le choix entre fonte et acier, sont aujourd’hui des options ouvertes. 1 Le DPC appartient à la Direction de l’énergie nucléaire. 2 Le Laboratoire Pierre Süe appartient à la Direction des sciences de la matière. Il compte une équipe spécialisée dans l’étude de matériaux métalliques archéologiques pour la prévision de leur comportement futur. 3 La vitesse de corrosion peut typiquement atteindre un centième de millimètre par an, ce qui représente une couche de dix millimètres d’épaisseur après 1 000 ans. 1 Dispositif expérimental permettant d’étudier la corrosion des métaux en situation de stockage géologique profond. 2 Cristaux de rouille. 2 3 Colonnes votives de Delhi, en Inde. 9
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