Calibrations absolues et relatives des taux de production de l'hélium 3 cosmogénique : nouveaux sites de calibration dans les zones géographiques sous documentées (Cap Vert, Sibérie, Himalaya, Groenland, Antarctique), et intercalibration avec les isotopes cosmogéniques du béryllium (10Bec) et du néon (21Nec).

Absolute and relative calibration of cosmogenic helium-3 production rates: new calibration sites in under-documented geographical areas and intercalibration with cosmogenic isotopes of beryllium (10Bec) and neon (21Nec).

• Auteur / Autrice : Bouchaïb Tibari
• Direction : Pierre-henri Blard, Evelyn Füri
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 31/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CRPG - Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques

Mots clés

Mots clés libres

Isotopes cosmogéniques

Hélium-3

Neon-21

Béryllium-10

Taux de production

Cap Vert

Cosmogenic isotopes

Helium-3

Neon-21

Beryllium-10

Production rates

Cape Verde

Résumé

Introduction L'hélium 3 cosmogénique (3Hec) est un outil isotopique ayant un rôle de plus en plus important pour caractériser la dynamique de la surface de la Terre. Il est ainsi un complément du 10Be cosmogénique, car il est plus adapté aux environnements volcaniques et mafiques, le 10Be étant mesuré en routine seulement dans le quartz. Cependant, la connaissance du taux de production de l'3Hec reste très incomplète dans de nombreuses régions du globe, ce qui affecte la précision et la justesse des interprétations. Un enjeu important est d'améliorer la connaissance des taux de production de l'3Hec, en particulier dans les régions sous documentées (Asie, Afrique, hautes latitudes et hautes altitudes). Objectifs Cette thèse vise à compléter les sites de calibration du taux de production de l'3Hec en étudiant plusieurs sites géographiques qui présentent peu ou pas de données (Sibérie), ou pour lesquelles les rares données existantes donnent des résultats controversés (Cap Vert et zone Atlantique tropical). De plus, les données empiriques documentant les rapports de production 3He/10Be suggèrent des variations mal comprises, qui ont donné lieu à des hypothèses encore discutées sur la dépendance altitudinale du rapport 3He/10Be. La variation du ratio 3He/10Be en altitude est-il une réalité impliquant des processus de production exotiques (Gayer et al., 2004, Dunai et al 2007) ; ou bien est-ce un artefact géomorphologique (Blard, 2021) ? Les régions ciblées sont le Cap-Vert et la Sibérie, où des coulées basaltiques datées avec précision par de nouvelles données 14C et Ar-Ar sont disponibles, ainsi que toutes les zones ayant des larges gammes d'altitudes et de latitudes (conditions climatiques variables) pour la calibration croisée 3He vs 10Be et 3He vs 21Ne (Eurasie, Océanie, Afrique, Amérique centrale, du Groenland et de l'Antarctique). Méthodologie Le projet scientifique consistera avant tout à produire de nouvelles données géochronologiques et géochimiques dans les régions cibles avec 2 approches complémentaires : 1) Calibration absolue des taux de production de l'3Hec à partir de surfaces datées indépendamment par 14C (coulée de lave en Sibérie) et Ar/Ar (Cap Vert) entre 100 et 10 ka avec 5% de précision ; et 2) calibration croisée entre les ratios de taux de production suivants : 3Hec/10Bec et 3Hec/21Nec. Les échantillons seront analysés par spectrométrie de masse multi collection au laboratoire de géochimie des Gaz rares du CRPG (3He, SFT Cosmo) et en 21Nec (Noblesse). La préparation chimique des échantillons se fera au CRPG au sein de la salle blanche de la plateforme IRIS, avant analyse des rapports 10Be/9Be au Laboratoire National des Nucléides Cosmogéniques (LN2C) situé au CEREGE. Résultats attendus Cette thèse produira des nouvelles données de calibration des taux de production de l'3Hec. De plus, l'étude de la calibration croisée 3He/10Be offrira des informations précieuses sur les facteurs contrôlant les ratios de production isotopique dans des environnements variés (composition des minéraux, humidité, couverture neigeuse, altitude, latitude), améliorant ainsi la précision de cet outil. Cette thèse représentera une contribution importante à la compréhension des processus physiques de production de l'3Hec dans des régions peu ou mal documentées, permettant une amélioration de la fiabilité (précision et justesse) de cet outil géochronologique. En parallèle à la thèse je continue mes fonctions d'ingénieur d'étude CNRS à mi-temps au sein de la plateforme Gaz Rares du CRPG. Je serai ainsi amené à poursuivre des développements analytiques pour des projets annexes, notamment : (1) pour améliorer la précision des mesures des rapports isotopiques 3He/4He atmosphériques (Pr. Bernard Marty) et (2) pour le traçage de fluides géologiques en produisant des mesures de ratios 4He/20Ne et 3He/4He (Dr. David Bekaert). Ces développements pourront éventuellement donner lieu à deux chapitres supplémentaires au sujet de thèse principal.

Introduction Cosmogenic helium-3 (3Hec) is an isotopic tool with an increasingly important role in characterizing the dynamics of the Earth's surface. It complements cosmogenic 10Be, as it is better suited to volcanic and mafic environments, 10Be being routinely measured only in quartz. However, knowledge of 3Hec production rates remains very incomplete in many regions of the globe, affecting the accuracy and precision of interpretations. A major challenge is to improve knowledge of 3Hec production rates, particularly in under-documented regions (Asia, Africa, high latitudes and altitudes). Objectives This thesis aims to complete the 3Hec production rate calibration sites by studying several geographical sites with little or no data (Siberia), or for which the few existing data give controversial results (Cape Verde and tropical Atlantic zone). Furthermore, empirical data documenting 3He/10Be production ratios suggest poorly understood variations, which have given rise to still debated hypotheses on the altitudinal dependence of the 3He/10Be ratio. Is the variation of the 3He/10Be ratio at altitude a reality involving exotic production processes (Gayer et al., 2004, Dunai et al 2007); or is it a geomorphological artifact (Blard, 2021)? Target regions are Cape Verde and Siberia, where basaltic flows accurately dated by new 14C and Ar-Ar data are available, as well as all areas with wide ranges of altitudes and latitudes (variable climatic conditions) for 3He vs 10Be and 3He vs 21Ne cross-calibration (Eurasia, Oceania, Africa, Central America, Greenland and Antarctica). Methodology The scientific project will focus on generating new geochronological and geochemical data in the target regions using 2 complementary approaches: 1) absolute calibration of 3Hec production rates from surfaces independently dated by 14C (Siberian lava flow) and Ar/Ar (Cape Verde) between 100 and 10 ka with 5% accuracy; and 2) cross-calibration between the following production rate ratios: 3Hec/10Bec and 3Hec/21Nec. Samples will be analyzed by multi-collection mass spectrometry at CRPG's Rare Gas Geochemistry Laboratory (3He, SFT Cosmo) and in 21Nec (Noblesse). Chemical preparation of the samples will be carried out at CRPG in the IRIS platform clean room, before 10Be/9Be ratio analysis at the Laboratoire National des Nucléides Cosmogéniques (LN2C) located at CEREGE. Expected results This thesis will produce new calibration data for 3Hec production rates. In addition, the study of 3He/10Be cross-calibration will provide valuable information on the factors controlling isotope production ratios in varied environments (mineral composition, humidity, snow cover, altitude, latitude), thereby improving the accuracy of this tool. This thesis will represent an important contribution to our understanding of the physical processes involved in 3Hec production in poorly documented regions, enabling us to improve the reliability (precision and accuracy) of this geochronological tool. In parallel with my thesis, I will continue to work part-time as a research engineer on the CRPG's Rare Gases platform. I will be pursuing analytical developments for related projects, in particular: (1) to improve the accuracy of atmospheric 3He/4He isotope ratio measurements (Pr. Bernard Marty) and (2) for geological fluid tracing by producing 4He/20Ne and 3He/4He ratio measurements (Dr. David Bekaert). These developments may eventually give rise to two additional chapters to the main thesis topic.