Etudes récentes sur la diffusion de l’He, effets des dommages par radiation

Certaines études récentes basées sur la datation (U-Th-Sm)/He sur apatites prenant en compte un contexte de refroidissement relativement lent ont mis en évidence des âges souvent trop vieux pouvant être liés à une Tc supérieure (environ 80°C, Crowley et al., 2002) à celle prévue par la plupart des études de référence sur l’apatite Durango (Wolf et al., 1996 ; Farley,

2000).

De plus, l’étude de la diffusion de l’hélium par une approche théorique (Density functional theory, DFT) sur des apatites et des zircons montre des Tc inférieures à 0 (-35°C pour l’apatite et -150°C pour le zircon) suggérant que la diffusion est plus facile dans le zircon que l’apatite (Fig. 3-12, Bengtson et al., 2012). En effet, Bengtson et al. (2012) caractérisent la diffusion de l’hélium en considérant des structures atomiques idéales pour une apatite et un zircon et les sites les plus favorables au sein de leur réseau cristallin pour les atomes de 4He. Il apparait que le zircon est fortement anisotropique (son comportement vis à vis de la diffusion varie en fonction de la direction) et que l’hélium diffuse très rapidement parallèlement à l’axe cristallographique c. Le réseau cristallin se comporte comme un canal dans cette direction. Pour l’apatite, considérée comme isotropique, la diffusion est plus compliquée.

122

Figure 3-12 : Structure cristalline de l’apatite (a) et du zircon (b) où figure le site le plus favorable pour placer un atome de 4He au sein du réseau, d’après Bengtson et al. (2012). L’axe z correspond à l’axe c des cristaux considérés. On observe facilement les « canaux de diffusion » parallèle à l’axe c pour le zircon. La diffusion de 4He dans l’apatite semble plus compliquée.

Ces différences entre la Tc théorique et celle mesurée généralement sur apatites et zircons s’expliquent par la présence de dommages liés à la désintégration radioactive et à la formation des atomes de 4He dans le réseau cristallin de ces minéraux. Shuster et al. (2006) ont montré que la quantité de ces dommages (a-recoil) était directement corrélée avec la diffusion de ⁴He. Ainsi, plus les concentrations en U et Th (symbolisée par le paramètre eU, effective Uranium concentration, ) sont importantes, plus il y a de dommages liés à leur désintégration dans le réseau cristallin et plus la rétention de 4He augmente. Ces dommages agissent comme des pièges à 4He et la concentration en 4He peut donc être considérée comme un proxy de la quantité de ces dommages pour chaque cristal d’un même échantillon (Fig. 3-13A). Quand 4He diffuse et qu’il croise un de ces dommages, ce dernier se loge à l’intérieur et il faudra plus d’énergie pour l’en déloger.

Ainsi, plus la concentration en eU est élevée, plus la température de fermeture augmente et plus l’âge mesuré est vieux.

Un effet important qui n’est cependant pas pris en compte par ce modèle est celui de la cicatrisation des dommages. A l’instar des traces de fissions, si un échantillon est réchauffé ou bien lentement refroidi, les dommages liés à la radiation s’estompent peu à peu par

123

cicatrisation annulant d’une part leur effet de piège, et permettant d’autre part de faire rediffuser l’hélium préalablement piégé. La densité de ces traces apparaît donc comme un proxy plus adapté (Gautheron et al., 2009 ; Flowers et al., 2009 ; Shuster and Farley, 2009, Fig. 3-13B). Le modèle de piégeage (Shuster et al., 2006) nécessite une relation linéaire entre le nombre de défauts liés à la radiation dans le réseau cristallin et la quantité de ⁴He piégé.

Gautheron et al. (2009) ont montré que cette relation n’était pas correcte et Flowers et al. (2009) ont considéré une relation non-linéaire (cubique) qui reproduit mieux les données

naturelles, augmentant nettement l’influence de la densité des dommages.

Figure 3-13 : A) Corrélation entre les données de laboratoire et le modèle de piégeage utilisant le [4He] comme proxy (Shuster et al., 2006). B) Ces données sont mieux corrélées en utilisant la densité de trace comme proxy (Flowers et al., 2009).

En suivant cette idée d’augmentation de l’âge (U-Th-Sm)/He sur apatites avec eU, Guenthner

et al. (2013) ont mis en évidence la même tendance sur des zircons (Figs. 3-14A, 15) mais

pour des concentrations relativement faibles (0 à 1000 ppm). Pour des eU très importantes (>1000 ppm), la rétention en 4He décroît rapidement. Ces auteurs ont fait l’hypothèse que pour de telles concentrations, la quantité de dommages α est suffisamment importante pour qu’ils s’interconnectent et forment un réseau permettant aux atomes de 4He de diffuser plus rapidement (Figs. 3-14B).

124

Ainsi, la corrélation entre l’âge mesuré et eU décrit une courbe en cloche. La première partie de la courbe est croissante pour les faibles valeurs de eU car la rétention augmente avec le nombre de dommage et donc l’âge augmente avec eU. A partir d’un certain seuil, appelé seuil de percolation, les dommages s’interconnectent et la rétention diminue fortement de même que l’âge diminue quand eU augmente, d’où une seconde partie de la courbe qui est décroissante (Fig. 15). Guenthner et al. (2013) ont montré que l’évolution de la rétention de l’hélium dans les zircons, qui dépend avant tout de la concentration en eU, contrôle à la fois la variation de la température de fermeture et le processus de recuit des dommages dans chaque grain. Cependant, comme le soulignent Ketcham et al. (2013), la quantité nécessaire de dommages α (appelée aussi α dose) pour atteindre ce seuil de percolation est nettement inférieure à celle nécessaire pour atteindre le seuil de métamictisation indiquant que la percolation de ces dommages α n’a pas d’effet sur les propriétés macroscopiques des grains affectés.

Figure 3-14 : A) Pour des eU relativement faibles (<1000 ppm), les dommages α dans le réseau cristallin agissent comme des pièges pour la diffusion du 4He. B) Pour de fortes concentrations (>1000 ppm), ces dommages s’interconnectent permettant une diffusion plus rapide.

Figure 3-15 : A) Corrélations entre les âge (U-Th-Sm)/He sur zircons et eU en fonction du chemin temps-température d’après Guenthner et al. (2013). B) En cas de recuit post-dépôt, cette corrélation âge-eU décrit généralement une cloche qui traduit l’augmentation puis la diminution de la rétention du 4He dans les zircons. L’amplitude et la position du sommet de cette cloche varie en fonction du chemin temps-température (température atteinte pendant le recuit, temps pendant lequel elle est conservée, timing du recuit, âge initial et donc temps d’accumulation pré-recuit).

126

IV) La datation par traces de fission