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Géochronologie U-Pb par ablation laser et ICP-MS (LA-ICP-MS): Principes, Complexités & Perspectives refroidissement (T) et le rayon de diffusion (a), en général modélisé par rapport à une sphère, et qui est assimilé à la taille des minéraux. Des paramètres importants, aussi bien externes au système (comme la pression, la déformation, l'accessibilité des fluides et le blindage dans des minéraux hôtes) qu'internes (composition chimique du minéral, état du réseau cristallin, inclusions, microfractures) ne sont pas pris en compte dans cette équation. Ainsi, par exemple Mezger et al. (1992) notent une légère augmentation de la température de fermeture des grenats, vis à vis du système Sm-Nd, avec une augmentation du rapport Mg/Fe. Cherniak et al. (1991) démontrent également que le volume maximum de diffusion est probablement de l'ordre de 0.5 cm. Au delà de cette distance, la diffusion ne se fait plus de façon simple (par volume), mais une diffusion par court-circuit, le long des plans de clivage ou des fractures devient prédominante. Enfin, d'autres paramètres difficilement quantifiables en l'absence d'informations texturales (comme le blindage dans d'autres phases minérales; e.g. Montel et al., 2000) peuvent conduire à la rétention d'âges anciens et à des valeurs apparentes de T f anormalement élevées. L'ensemble de ces remarques constitue autant de limites sérieuses à prendre en compte lors de l'utilisation de la notion de température de fermeture, en particulier en domaine métamorphique où des processus dynamiques, tels que la recristallisation ou les phénomènes de dissolution-précipitation, sont beaucoup plus efficaces et rapides que la diffusion volumique pour effectuer la redistribution des éléments chimique ( Schneider, Bosch, Monié & Bruguier, Lithos, 2007). La notion de température de fermeture telle que définie par Dodson (1973) doit donc toujours être appliquée avec prudence. Elle s'applique en priorité à des roches ou minéraux ayant subi des conditions "statiques" c'est à dire des conditions au cours desquelles les paramètres externes (tels que la deformation ou les fluides) ont joué un rôle minime. Certains éléments, en particulier les éléments gazeux (Ar), qui diffusent à l'état neutre ont des cinétiques de diffusion relativement simples qui ne nécessitent pas de compensation de charge. Ce n'est pas le cas du plomb qui diffuse sous la forme Pb 2+ . Certains systèmes isotopiques seront plus aptes que d'autres à remplir les conditions requises pour l'application du concept de température de fermeture et pour l'étude du refroidissement post-métamorphique des orogénes. L’utilisation du concept de température de fermeture dépend donc en priorité de notre connaissance des mécanismes et des taux de diffusion des espèces chimiques (en particulier le Pb et les espèces co-diffusantes) dans un environnement géologique donné. 5.1. Exemple du zircon Parmi les différents minéraux utilisés en géochronologie U-Pb, le zircon (ZrSiO 4 ) est probablement l'un des plus fréquemment employés pour dater l'âge de cristallisation ou de recristallisation des roches. Ceci est en grande partie du à son ubiquité dans de nombreuses lithologies (roches sédimentaires, magmatiques ou métamorphiques) et à la robustesse du système U-Pb dans ce minéral qui lui permet de conserver des informations géochronologiques dans des conditions extrêmes, même lorsque la roche qui le contient a subi un événement métamorphique de haut grade ou un épisode de fusion partielle. Cependant il est bien reconnu que, en dépit de la faible diffusivité du Pb, de l'U et du Th dans le zircon (Lee et al., 1997; Cherniak & Watson 2001), la dégradation de son réseau cristallin sous l'effet de la radioactivité peut compromettre sérieusement la rétention du Pb dans ce minéral. Le zircon est donc paradoxalement susceptible de perdre du Pb radiogénique par diffusion sous des conditions de faible grade et de présenter des âges discordants (Silver & Deutsch, 1963; Pidgeon et al., 1966; Black 1987). Dans le cas de minéraux ayant 54
Géochronologie U-Pb par ablation laser et ICP-MS (LA-ICP-MS): Principes, Complexités & Perspectives une histoire simple (Figure 26) il est relativement facile de déterminer si un modèle de perte en plomb par diffusion volumique (Tilton 1960; Wasserburg 1963) est applicable. Dans le cas de roches à histoire plus complexe il est par contre difficile de préciser si la discordance observée est liée à un tel phénomène ou bien à d'autres processus comme la recristallisation partielle des minéraux (Pidgeon 1992, Hoskin & Black, 2000), le développement de surcroissances métamorphiques ou la présence d'un composant hérité. La combinaison d'analyses U-Pb et d'une étude de la structure interne des grains par microscopie électronique à balayage permet de réaliser une interprétation plus fine des résultats. Ce couplage imagerie / datation est particulièrement efficace pour déterminer la zone à analyser par voie ponctuelle (SIMS ou LA-ICP-MS) et pour interpréter la signification des âges obtenus in situ. Les images de structures internes de grains de zircons présentées dans les paragraphes suivants sont extraites d'études auxquelles j'ai participé et elles ont pour but d'illustrer la complexité potentielle du zircon. Figure 26: Exemple de pertes en Pb récentes sans relation avec un événement géologique. Celles-ci sont reliées à des processus d'altération lors de la mise à l'affleurement. En dépit d'une abrasion mécanique et de teneurs en U faibles (entre 100 et 300 ppm), les analyses sur monocristal de zircons fournissent des points discordants ( Bosch et al., 1996). Des pertes en Pb récentes, avec alignement des points expérimentaux suivant une droite passant par l'origine, sont fréquentes dans la plupart des cratons. En domaine magmatique, le zircon cristallise sous forme de cristaux automorphes. Le développement relatif des différents prismes et pyramides a été utilisé (Pupin 1980) pour définir les conditions chimiques du magma et la température de croissance des minéraux (Figure 27). Cependant cette classification rend compte de la forme externe des minéraux et nous renseigne donc uniquement sur leur dernière étape de croissance. Des informations plus complètes peuvent être obtenues lors de l'observation de la structure interne des grains par microscopie électronique. 55
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Chemical Geology 184 (2002) 151-165
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doi: 10.1111/j.1365-3121.2006.00693
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Geol. Mag.: page 1 of 8. c○ 2007
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