Calibration, développement et application de la méthode de datation (U-Th)/He sur la magnétite et le spinelle dans les roches ultramafiques

Calibration, development and application of the (U-Th)/He dating method on magnetite and spinel in ultramafic rocks

• Auteur / Autrice : Marianna Corre
• Direction : Stéphane Schwartz, Fabrice Brunet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 16/02/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Duchêne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthias Bernet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Boulvais, Cécile Quantin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre -- Manteau

Serpentine (minéralogie)

Spinelles

Magnétite

Thermochronologie

Mots clés libres

(U-Th)/He

Thermochronologie

Magnétite

Spinelle

Serpentine

Manteau

(U-Th)/He

Thermochronology

Magnetite

Spinel

Serpentine

Mantle

Résumé

Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d’appliquer la méthode de datation (U-Th)/He à la magnétite issue de l’altération hydrothermale de l’olivine et du pyroxène au cours de la serpentinisation ainsi qu’aux spinelles initialement présents dans les péridotites. L’objectif est de pouvoir apporter des contraintes temporelles sur les processus hydrothermaux de serpentinisation et sur l’exhumation de péridotites dans différents contextes géodynamiques. En effet, les processus de serpentinisation, qui représentent des marqueurs géodynamiques de choix, souffrent d’un manque de contraintes géochronologiques dû, en partie, à la faible diversité minéralogique des serpentinites qui interdit l’utilisation des méthodes géochronologiques traditionnelles (U/Pb).L’utilisation de la méthode (U-Th)/He sur ces deux oxydes n’est toutefois pas triviale et un certain nombre d’obstacles analytiques et méthodologiques doivent être franchis. D’une part, la détermination précise de la teneur en U et en Th (faible dans ces minéraux ; < 0,5 ppm), nécessite l’utilisation de protocoles d’analyse fastidieux. D’autre part, l’application de la méthode requiert une bonne connaissance de la diffusivité de l’He dans les structures cristallines considérées afin de déterminer les températures de fermeture en dessous desquelles le minéral retient l’He (temps zéro du chronomètre), base de toute interprétation géodynamique.De ce fait, la méthode (U-Th)/He appliquée à la magnétite et au spinelle, n’a pas encore atteint le niveau de maturité nécessaire à son utilisation en routine. L’objectif de ma thèse est de contribuer à améliorer cette méthode par de nouveaux développements analytiques pour l’analyse des éléments pères, par des expériences/calculs de diffusion afin de contraindre la diffusivité de l’He dans la magnétite/spinelle et par de nouvelles applications à des cas naturels.Premièrement, nous avons étudié comment les faibles concentrations en U et en Th pouvaient contribuer à la dispersion des données des âges (U-Th)/He. Pour cela, nous avons analysé des échantillons de magnétite et de spinelle naturels et synthétiques contenant entre 0,02 µg/g à 116 µg/g d’U et de Th, par la méthode de chimie en solution mais aussi par la méthode d’analyse in-situ d’ablation laser (LA)-ICP-MS. Des synthèses de nanomagnétite et de nanospinelle enrichies en U et en Th ont été caractérisées afin d’être utilisées comme des étalons de références, pour être plus confiant dans les résultats. Ces développements ont également permis d’obtenir des concentrations U-Th justes (exacte à ± 2%) par la méthode LA-ICP-MS.Deuxièmement, nous avons réalisé des expériences de diffusion de l’He dans la magnétite afin de déterminer la température de fermeture de l’He dans ce minéral. Ces résultats sont comparés avec des calculs quantiques, réalisés en parallèle, montrent que la température de fermeture varie entre 200 et 280°C et que la rétention de l’He dans la magnétite est dépendante des types de défauts cristallins et de leurs densités dans la structure.Enfin, nous avons appliqué la méthode de datation (U-Th)/He sur (1) des grains de magnétite et de spinelle de l’ophiolite de la Nouvelle Calédonie et (2) sur des grains de magnétite d’un échantillon de péridotite du mur de la faille transformante Saint Paul de la ride médio-Atlantique. Ces applications montrent que la méthode de datation de la magnétite, en plus d’être fonctionnelle, permet de résoudre efficacement des problématiques géodynamiques complexes. Cependant, la datation thermochronométrique (U-Th)/He sur le spinelle ainsi que l’interprétation des âges sont encore inenvisageable à ce stade car la température de fermeture de l’He dans le spinelle est toujours inconnue et du fait que ce minéral est difficile à dissoudre surtout lorsqu’il est riche en Cr.

In this thesis, we propose to apply the (U-Th)/He dating method to magnetite derived from hydrothermal alteration of olivine and pyroxene during serpentinization as well as to magmatic spinels initially present in peridotites. The objective is to provide temporal constraints on hydrothermal serpentinization processes and on the exhumation peridotites in different geodynamic contexts. Indeed, serpentinization processes, which represent geodynamic markers of choice, suffer from a lack of geochronological constraints due, in part, to the low mineralogical diversity of serpentinites that prevents the use of traditional geochronological methods as U/Pb.However, the use of the (U-Th)/He method on these two oxides is not straightforward and a number of analytical and methodological obstacles must be overcome. On the one hand, the precise determination of the U and Th content is low in these minerals (< 0.5 ppm), requiring the use of fastidious analytical protocols. On the other hand, the application of the method requires a good knowledge of the diffusivity of He in the considered crystalline structures in order to determine the closing temperatures below which the mineral retains He (zero time of the chronometer), basis of any geodynamic interpretation.Therefore, the (U-Th)/He method applied to magnetite and spinel, has not yet reached the level of maturity necessary for its routine use. The objective of my thesis is to contribute to the improvement of this method by new analytical developments for the analysis of the parent elements, by scattering experiments/calculations to constrain the diffusivity of He in magnetite/spinel and by new applications to natural examples.First, we investigated how low U and Th concentrations could contribute to the dispersion of (U-Th)/He age data. For this purpose, we analyzed natural and synthetic magnetite and spinel samples containing between 0.02 ppm and 116 ppm of U and Th by the wet chemistry method but also by in-situ Laser ablation (LA)-ICP-MS method. Syntheses of nanomagnetite and nanospinelle enriched in U and Th were characterized in order to be used as reference standards to be more confident in the results. These developments also allowed us to obtain accurate (exact to ± 2%) U-Th concentrations by LA-ICP-MS.Secondly, we performed He diffusion experiments in magnetite to determine the He closure temperature in this mineral. These results are compared with quantum calculations, performed in parallel, show that the closure temperature varies between 200 and 280°C and that the retention of He in magnetite is dependent on the types of crystal defects and their densities in the structure.Finally, we applied the (U-Th)/He dating method on (1) magnetite and spinel grains from the New Caledonia ophiolite and (2) magnetite grains from a peridotite sample of the Saint Paul transform fault wall of the Mid-Atlantic Ridge. These applications have shown that the magnetite dating method, in addition to being functional, can efficiently solve complex geodynamic problems. However, the (U-Th)/He dating method on spinel as well as the interpretation of ages are still not conceivable at this stage because the closing temperature of He in spinel is still unknown and because this mineral is difficult to dissolve especially when it is rich in Cr.