Géochimie isotopique du lithium dans les basaltes

INTRODUCTION A LA GEOCHIMIE ISOTOPIQUE DU LI

QUELQUES GENERALITES SUR LE LI

Le lithium (Li) est un métal alcalin qui a été découvert en 1817 par Johann August Arfvedson. Comme les autres éléments de son groupe, le Li possède un seul électron de valence qui est facilement perdu pour former le cation Li, ce qui explique sa faible électronégativité. Le Li est le 3ème élément de la classification périodique de Mendeleïev, il se place en colonne 1A juste au dessus du sodium, un élément aux propriétés chimiques très proches. Comme souvent dans le tableau périodique, le Li peut être relié à l’élément voisin selon une diagonale : le magnésium. En effet, le rayon ionique moyen du Li ሺ0,85 Åሻ est du même ordre de grandeur que celui du Mg ሺ0,72 Åሻ et permet une substitution de ces deux éléments, comme par exemple dans les olivines ሺKent et Rossman, 2002ሻ. Toutefois le lithium, contrairement au Mg, reste un élément incompatible lors des processus de fusion et de la cristallisation. D’après la classification de Goldschmidt, le Li est dit lithophile, modérément incompatible et se trouve donc en abondance dans les couches silicatées de notre planète.

GEOCHIMIE DES ISOTOPES STABLES.

Les isotopes d’un même élément ont des propriétés chimiques équivalentes car ils possèdent la même configuration électronique ainsi que le même rayon ionique. En revanche, ils se distinguent par leurs propriétés physiques puisque leurs masses diffèrent d’un ou plusieurs neutrons. Plus le numéro atomique de l’élément est faible, plus le poids d’un neutron va avoir une incidence significative sur la masse relative des isotopes. C’est cette différence de masse qui va entrainer dans certaines conditions le fractionnement isotopique. Les fractionnements qui ont lieu entre deux isotopes stables ne doivent pas être confondus avec la géochimie isotopique plus «traditionnelle » qui fait intervenir des fractionnements élémentaires entre père et fils.

Trois types de fractionnement des isotopes stables sont aujourd’hui reconnus :
➤ Le fractionnement d’équilibre se met en place lors des réactions chimiques ou physiques faisant intervenir un équilibre. L’importance de ce type de fractionnement est directement proportionnelle à la différence de masse entre deux isotopes et inversement proportionnelle à la température. En effet, lorsque la température de la réaction augmente, le fractionnement isotopique d’équilibre tend à devenir nul.
➤ Le fractionnement cinétique : les isotopes plus légers sont systématiquement avantagés par leur vitesse lors des réactions chimiques ou lors des processus de transport. Ce mode de fractionnement qui est théoriquement insensible à la température ሺc’est plus complexe dans la pratiqueሻ sera particulièrement discuté dans ce manuscrit.
➤ Le dernier mode de fractionnement isotopique est directement relié à la géométrie du site cristallographique qui contient l’élément considéré.

LA NOUVELLE ERE DE LA GEOCHIMIE ISOTOPIQUE DU LI.

Le fractionnement des isotopes stables se fait principalement à la surface de la Terre lors de processus de basse température. La différence de masse importante entre les isotopes du Li, ainsi que sa dispersion dans tous les réservoirs terrestres font de ce système isotopique l’un des plus prometteurs pour l’étude des interactions entre couches profondes et superficielles de notre planète. L’ère moderne de l’utilisation des isotopes du Li en sciences de la Terre a débuté avec le développement des MC‐ICPMS dans les laboratoires à la fin des années 90. Depuis cette époque, la systématique de la composition isotopique du Li dans les différents réservoirs terrestres n’a cessé de se développer.

LE COMPORTEMENT DU LI DANS LE CYCLE GEODYNAMIQUE GLOBA .

Le comportement incompatible du Li lors de la fusion et lors de la cristallisation fractionnée ‘Ryan et Langmuir, 1987’, explique que cet élément soit appauvri dans le manteau terrestre comparativement à la croûte. Malgré l’abondance relativement faible (environ 1 μg/g) du Li dans le manteau, le volume important de ce dernier en fait un réservoir majeur de Li. Les études de la composition isotopique du Li réalisées dans des roches magmatiques se sont principalement focalisées sur le potentiel de ce système isotopique à tracer l’empreinte de processus de surface dans du matériel recyclé au travers du manteau.

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Table des matières

1. INTRODUCTION: LES ISOTOPES DU LITHIUM EN SCIENCES DE LA TERRE.
1.1. Introduction à la géochimie isotopique du Li.
1.1.1. Quelques généralités sur le Li.
1.1.2. Géochimie des isotopes stables.
1.1.3. Mesures de la composition isotopique du Li
1.2. L’utilisation des isotopes du Li en sciences de la Terre.
1.2.1. La nouvelle ère de la géochimie isotopique du Li
1.2.2. Comportement du Li dans le cycle hydrologique.
1.2.3. Le comportement du Li dans le cycle géodynamique global.
1.3. Problématiques abordées au cours de cette thèse
1.3.1. La composition isotopique du Li dans le manteau et la croûte inférieure sous le Massif Central Français
1.3.2. Fractionnement des isotopes du Li à l’échelle d’un cristal lors de la diffusion.
1.3.3. Hétérogénéités isotopiques dans les laves de la dorsale pacifique‐antarctique entre 53°S et 39°S.
2. COMPOSITION ISOTOPIQUE DU LI DANS LA CROUTE INFERIEURE ET DANS LE MANTEAU SOUS LA CHAINE DES PUYS.
2.1. Contexte géologique.
2.1.1. Le volcanisme cénozoïque européen.
2.1.2. La Chaine des Puys.
2.2. Problématiques abordées grâce à ces échantillons.
2.2.1. Signature isotopique du Li dans des basaltes d’affinité HIMU.
2.2.2. Composition isotopique du Li de la croûte continentale inférieure.
2.3. Signatures isotopiques du Sr, Nd, Pb et Li dans la croûte continentale inférieure, ainsi que dans le manteau, sous le massif central : étude de la série volcanique de la Chaîne des Puys
2.3.1. Résumé de l’article
2.3.1. Article (soumis à Earth and Planetary Sciences Letters)
3. COMPORTEMENT DES ISOTOPES DU LI DANS LES CRISTAUX LORS DU REFROIDISSEMENT D’UNE LAVE.
3.1. Les travaux antérieurs
3.1.1. Pourquoi mesurer « in situ » la composition isotopique du Li ?
3.1.2. Mise en évidence d’un fractionnement isotopique du lithium lié à la diffusion
3.2. Modélisation d’effet de diffusion sur les isotopes du Li lors du refroidissement d’une lave : le choix de l’échantillon.
3.2.1. Modélisation du fractionnement isotopique lié à la diffusion.
3.2.2. Choix de l’échantillon pour cette étude.
3.3. Contexte géologique et description pétrologique‐géochimique de l’échantillon ARP 73‐ 10‐03
3.3.1. Contexte géologique et géochimique de la zone FAMOUS.
3.3.2. Description pétro‐géochimique de l’échantillon ARP73 10‐03.
3.4. Répartition du Lithium dans les phases constitutives d’ARP73 10‐03 : modèle de fractionnement isotopique couplé à la diffusion.
3.4.1. Résumé de l’article.
3.4.2. Article (soumis à Geochimica et Cosmochimica Acta).
4. GEOCHIMIE DES MORB DU PACIFIQUE SUD