Mis à jour le 04.02.2020
Un isotopeLes isotopes partagent le même nombre de protons mais ont un nombre de neutrons différents rare peut parfois aider à mieux comprendre notre environnement. Comment ? En devenant un outil de datation pour les scientifiques, qu’ils travaillent en hydrologie, archéologie ou climatologie... C’est le cas des chercheurs qui utilisent l’instrument national ASTER - un des quelques spectromètres de masse à accélérateur de particules d’Europe - pour transformer ces atomes en données essentielles à leurs études. Plongée au cœur de cet outil complexe.
Est-il possible de dater une nappe d’eau, un squelette ou une carotte sédimentaire en remontant jusqu’à un million d’années ? Oui, avec l’aide des isotopes cosmogéniques?Produits par réaction entre les atomes de la croûte terrestre et les particules issues du rayonnement cosmique qui se propagent dans le milieu interstellaire tels que le chlore 36 (noté 36Cl), le béryllium 10 (10Be), l’aluminium 26 (26Al), le calcium 41 (41Ca) ou l’iode 129 (129I). La concentration de ces atomes - peu abondants dans la nature - dans un échantillon permet d’estimer depuis combien de temps ce dernier a été exposé au rayonnement cosmique et donc, depuis quand il est présent à la surface terrestre. C’est en comptant ces particules au sein de cet échantillon que les scientifiques peuvent précisément remonter le temps. Problème : ces atomes sont extrêmement rares – le 35Cl et le 37Cl, les isotopes stables du chlore, sont par exemple entre 1012 et 1015 fois plus nombreux que le 36Cl. Un traditionnel spectromètre de masse?Appareil permettant de séparer les différents isotopes des éléments chimiques en fonction de leur masse ne serait pas assez sensible pour détecter une telle proportion d’atomes.
Les scientifiques utilisent ainsi un spectromètre de masse couplé à un accélérateur de particules?Instrument permettant de porter des particules à haute énergie afin d'étudier leur nature et leurs propriétés, ou de séparer des atomes ou molécules de masses très proches, dénommé ASTER (pour « Accélérateur pour les Sciences de la Terre, Environnement, Risques »), pour réaliser ce type de datation. La très grande énergie – 5 millions de volts – conférée par cet accélérateur aux ions provenant de l’échantillon permet d’utiliser les détecteurs de particules ultra sensibles de la physique nucléaire.
« Auparavant, nous utilisions la méthode de comptage radioactif, explique Bruno Hamelin, professeur de géochimie à Aix-Marseille Université et chercheur au Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement (CEREGE). Si nous avions voulu par exemple analyser des glaces, nous aurions dû apporter au laboratoire plusieurs mètres cube de glace renfermant un nombre suffisant d’atomes radioactifs comme le 36Cl. En effet, le 36Cl a une demi-vie?Temps mis par un isotope radioactif pour perdre la moitié de son activité radioactive de 300 000 ans, et donc un rythme de désintégration très lent. Pour dater précisément un échantillon, nous aurions dû compter le nombre de ces désintégrations pendant un temps très long. Avec ASTER, nous n’avons besoin que d’échantillons de quelques centaines de gramme car nous comptons les particules elles-mêmes. »
© IRD - Didier Bourlès
Un hangar complet est dédié à ASTER au CEREGE.
Cet impressionnant instrument de 30 mètres de long est logé au CEREGE situé à Aix-en -Provence(1).
Laëtitia Leanni sépare et purifie les éléments chimiques.
© IRD - Carole Filiu-Mouhali
Du terrain aux atomes
Comment fonctionne ASTER ? Dans un premier temps, les scientifiques français ou étrangers, notamment des pays du Sud, demandent à réaliser des analyses liées à leurs recherches. Ils envoient par la suite les prélèvements effectués sur le terrain au Laboratoire National des Nucléides Cosmogéniques (LN2C), le laboratoire du CEREGE chargé d’ASTER et de la préparation des échantillons. Là, Laëtitia Leanni, assistante ingénieure en traitement et analyse physique à l’IRD, transforme ces matériaux bruts en échantillons pouvant être analysés par le spectromètre de masse.
Georges Aumaitre, responsable qualité instrumentale et expérimentale de l'instrument national ASTER, ouvre la source de l’équipement pour introduire des échantillons.
© IRD - Carole Filiu-Mouhali
Chaque échantillon de quelques milligrammes de chlorure d’argent est placé dans un petit entonnoir métallique.
Destination : le barillet source d’ASTER qui accueille jusqu’à 200 échantillons. Ils sont traités par la machine les uns après les autres.
Une fois les échantillons en place à l’entrée de l’équipement, Karim Keddadouche, responsable technique du LN2C, optimise les paramètres de fonctionnement de la machine. L’ensemble du processus dure environ une heure.
© IRD - Carole Filiu-Mouhali
Le spectromètre de masse fonctionne 7 jours sur 7, 24 heures sur 24.
© IRD/Laurent Corsini
Isotopes cosmogéniques et essais nucléaires
Que révèlent ces données ? « Le 36Cl, un isotope radioactif, a aussi la particularité de faire partie de ces atomes relâchés dans l’atmosphère lors des essais nucléaires du Pacifique des années 1950 à 60, précise Bruno Hamelin. Comme de nombreux autres isotopes artificiels, il a été propulsé dans la stratosphère avec le champignon nucléaire, puis s’est diffusé ensuite sur Terre à travers le cycle de l’eau et les précipitations. Ce signal transitoire permet de tracer les processus naturels qui ont eu lieu à cette période et depuis. » Il a été détecté notamment dans les aquifères?Formation géologique contenant de l'eau et constituée de roches perméables capables de la restituer naturellement et/ou par exploitation. du bassin du lac Tchad et a permis de mieux comprendre leur renouvellement (voir encadré).
Le détecteur de particules situé à l’extrémité du tube d’ASTER permet de comptabiliser les atomes cosmogéniques.
© IRD - Carole Filiu-Mouhali
Outre l’hydrologie, ASTER est également utilisé pour mieux appréhender les mouvements tectoniques, leur vitesse le long des failles sismiques, l’érosion des sols ou encore le réchauffement climatique. Par exemple, les scientifiques peuvent reconstituer les mouvements anciens des glaciers : les blocs de roches protégés par la glace ne sont pas exposés au rayonnement cosmique et ne contiennent donc pas d’isotopes cosmogéniques. En revanche, dès que la glace recule lorsque le glacier fond, les surfaces découvertes voient leur quantité en isotopes augmenter. Identifiées et datées, elles offrent donc un témoignage des changements climatiques.
Les eaux du lac Tchad se renouvellent
Dans le bassin du lac Tchad, les aquifères de surface constituent une ressource en eau renouvelable, ce qui atténue la forte variabilité des précipitations dans la région. C’est la conclusion d’une étude(2) menée sur ce bassin qui couvre plusieurs pays : Niger, Nigéria, Tchad, Cameroun. Du 36Cl d’origine thermonucléaire a été trouvé dans des échantillons récoltés dans les aquifères de la région.
« Cet isotope a été introduit dans les années 1950 suite aux tests nucléaires, précise Pierre Deschamps, géochimiste et paléoclimatologue au CEREGE. Sa présence dans les nappes de surface met donc en évidence une recharge, non seulement récente, mais aussi significative de celles-ci. Nous avons également analysé le 36Cl sur une grande partie du bassin, dans les aquifères, les eaux des rivières et celles du lac Tchad. Nous avons ainsi déterminé le temps de résidence des eaux de surface dans le bassin. Comme le démontre la doctorante Camille Bouchez dans l'étude, il se passe environ une douzaine d'année entre le moment où une goutte d’eau tombe du ciel, s'infiltre dans les aquifères de surface et celui où elle en ressort pour atteindre le lac Tchad. »
Ces résultats constituent une bonne nouvelle pour les populations de la région. Elles pourront continuer à utiliser cette eau renouvelable sans craindre son épuisement.
Notes :
1. ASTER est porté par l’Université d’Aix-Marseille, le CNRS, l’IRD, le Collège de France et l’INRA. Il est financé dans le cadre de l’appel d’offre EquipEx des Investissements d’Avenir.
2. Camille Bouchez, Pierre Deschamps, Julio Goncalves, Bruno Hamelin, Abdallah Mahamat Nour, Christine Vallet-Coulomb et Florence Sylvestre, Water transit time and active recharge in the Sahel inferred by bomb-produced 36Cl. Scientific Reports, 16 mai 2019. doi:10.1038/s41598-019-43514-x
Contacts : Bruno Hamelin, Pierre Deschamps et Florence Sylvestre.
