Concordia discordia

Le chronomètre Uranium, Plomb, zircon

L'Uranium 238 se désintègre en Thorium 234 avec une période de 4,47 milliards d'années. Il s'en suit une chaine de désintégration aboutissant au Plomb 206 non radioactif. La chaine d'éléments radioactifs intermédiaires ayant des périodes dérisoires (240 000 ans pour la plus élevée) par rapport à celle de l'Uranium 238, on considère que la période de formation du Pb 206 est de 4.47 milliards d'années. De la même manière L'Uranium 235 est à l'origine du Plomb 207 non radioactif avec une période de 704 millions d'années.

²³⁸U ➡ ²⁰⁶Pb avec une période de 4,47 milliards d'années

²³⁵U ➡ ²⁰⁷Pb avec une période de 704 millions d'années

Lame mince de granite observée au microscope polarisant. Cristal de zircon (1) dans un cristal de biotite (3). Les zircons sont entourés par une auréole pléochroïque (2) provoquée par la radioactivité. Crédits Alexstrekeisen.it

Le zircon (silicate de Zirconium [Si O₄] Zr) est un minéral qui se forme dans les roches magmatiques comme les granites ou les syènites. Il contient de l'Uranium ou du Thorium qui se substituent au Zirconium dans la structure du cristal. Dans les granites les zircons sont souvent inclus dans des biotites. Ils sont alors entourés d'une auréole noire qui matérialise l'effet de la radioactivité qui a littéralement grillée la biotite. Ils cristallisent à une température de 800 à 900° et ne contiennent alors pas de Plomb. Tout le plomb qu'ils contiendront par la suite proviendra de la désintégration des isotopes de l'Uranium et du Thorium. Ils constituent donc des chronomètres qui sont déclenchés à la cristallisation, comme si l'on retournait des sabliers. Mesurer la quantité des isotopes du Plomb et de l'Uranium va permettre de calculer l'âge du minéral en appliquant l'équation de la décroissance radioactive (1).

On représente le rapport ²⁰⁶Pb/²³⁸U en fonction du rapport ²⁰⁷Pb/²³⁵U [1]. Comment varient ces rapports au cours du temps? C'est ce que vous propose de suivre la simulation suivante.

Simulation

Les gneiss de Port Béni

Carte géologique de la plage de Port Béni (Côtes d'Armor), emplacement des prélèvements utilisés pour la datation (redessiné d'après [2])

La petite plage de Port Béni est située prés du village de Pleubian, dans les Côte d'Armor. A marée basse on peut observer de nombreuses roches grenues. Les gneiss œillés sont d'anciens granites à gros cristaux de feldspath (granites porphyroïdes). Les microgranodiorites sont des roches à grains fins recoupant les gneiss. Les granodiorites se distinguent des granites par leur plus grande richesse en feldspaths plagioclases. Enfin les dykes de dolérites recoupent l'ensemble des autres roches. Les dolérites sont des roches sombres finement grenues provenant du refroidissement lent d'un magma basaltique. Les méthodes de datation relative permettent de déterminer que les gneiss œillés sont les roches les plus anciennes suivies des microgranodiorites puis des dolérites. Mais quel est leur âge absolu?

Datation des microgranodiorites et des gneiss par la méthode Uranium/Plomb sur les zircons, courbes concordia et discordia, les dates de la concordia sont en millions d'années [2].

• Les microgranodiorites : Les 37 points de mesure sont situés sur la courbe concordia. Les zircons n'ont pas subi de perturbation depuis la fermeture du système. Leurs positions sur la courbe permettent de dater la cristallisation des microgranodiorites à 604 millions d'années.
• Les gneiss : Leur cas est plus complexe puisqu'il y a à la fois des points sur la courbe concordia mais aussi des points en dehors qui s'alignent sur une droite discordia. Les zircons ont donc été soumis à une perturbation depuis leur cristallisation marquant la fermeture du système de datation.
  Si nous faisons la parallèle avec la simulation ci-dessus les 30 zircons situés en A correspondent au zircon Z1, ils n'ont pas perdu de plomb lors de la perturbation, ils permettent de dater la cristallisation des zircons et donc du granite porphyroïde à 2038 millions d'années.
  Les 68 zircons situés en B correspondent au zircon Z5 de la simulation, ils ont perdu la totalité de leur plomb lors de la perturbation qui a provoqué l'ouverture du système. Ils permettent de dater le phénomène à 621 millions d'années.
  Les zircons de B et les autres zircons, correspondant aux zircons Z2, Z3, Z4 de la simulation, permettent de tracer la droite discordia. Elle recoupe la concordia à 2039 millions d'années. En tenant compte des erreurs de mesure, cette valeur n'est pas différente de celle obtenue grâce aux zircons de A.
  Un granite porphyroïde s'est donc formé il y a 2,039 milliards d'années (cristallisation des zircons et fermeture du système) puis le métamorphisme l'a transformé en gneiss œillé à 621 millions d'années (ouverture du système et perte de plomb).
• Les dolérites : ont été datées à 597 millions d'années par une autre méthode.

Finalement la datation absolue confirme l'ordre des évènements déterminè par la datation relative. Elle nous apprend que la mise en place des roches s'est effectuée au Précambrien, à l'Ediacarien pour le métamorphisme, les microgranodiorites et les dolérites lorsque la vie pluricellulaire en était à ses balbutiements ou bien avant pour le granite porphyroïde. Avec plus de 2 milliards d'années ce dernier entre au Panthéon des plus vieilles roches de France, la vie n'était alors que bactérienne.

De longues vies bien remplies

Les zircons sont des minéraux très résistants à l'érosion et au métamorphisme. Certains sont de vénérables vieillards de 4,4 milliards d'années. Ils sont la plupart du temps constitués de couches successives qui ont enregistrées l'histoire du cristal. Les techniques de micro-analyse permettent de déterminer leurs compositions isotopiques et de reconstituer leurs vies compliquées et agitées.

Légende 

Ce zircon zoné a enregistré plusieurs milliards d'années d'histoire de la croûte terrestre (Province de Napier, Antarctique). Au cours d'une vie agitée un petit zircon (1) a grossi pendant plusieurs phases de métamorphismes (2), (4), (5), (6). La partie finement zonée (3) est caractéristique d'une croissance dans un magma granitique. Le cristal a alors pris une forme géométrique particulière avant d'être rongé par la phase de métamorphisme (4) qui a suivi [3]⁠.

Ce zircon zoné a enregistré plusieurs milliards d'années d'histoire de la croute terrestre (Province de Napier, Antarctique). Au cours d'une vie agitée un petit zircon (1) a grossi pendant plusieurs phases de métamorphismes (2), (4), (5), (6). La partie finement zonée (3) est caractéristique d'une croissance dans un magma granitique. Le cristal a alors pris une forme géométrique particulière avant d'être rongé par la phase de métamorphisme (4) qui a suivi [3]⁠.

Bibliographie