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19/01/2018 - CATTANI Fanny

« Définition d’une collection de minéraux de référence afin de développer et de calibrer une méthode de datation in-situ adaptée à la surface de Mars »

Directeurs : Pierre-Yves GILLOT (GEOPS) & Françis ROCARD (CNES).

Financement : Allocation MESR & CNES

Thèse soutenue le 19 janvier à 14h, au bâtiment 504, Laboratoire Géosciences Paris Sud (GEOPS) rue du Belvédère, 91400 Orsay (plan)

salle de conférence du 2ème étage

- Mr Pierre-Yves Gillot - Directeur de thèse
- Mme Violaine Sautter - Rapporteur
- Mr Daniele Pinti - Rapporteur
- Mr Jean-baptiste Sirven - Examinateur
- Mr Pierre-Yves Meslin - Examinateur
- Mr Eric Chassefière - Examinateur
- Mr Francis Rocard - Examinateur
- Mr Anthony Hildenbrand - Co-directeur de thèse
- Mr Xavier Quidelleur - Co-directeur de thèse
- Mr Fréderic Courtade - Invité

Résumé :

La détermination d’âges absolus est nécessaire pour calibrer la chronologie relative martienne basée sur la densité de cratères d’impact. Dans ce but, nous avons développé au laboratoire GEOPS un prototype pour la datation in-situ des surfaces planétaires par la méthode K-Ar. Cette installation, financée dans le cadre d’un programme de recherche CNES-CNRS, est basée sur l’ablation laser permettant la vaporisation d’un volume reproductible de roche. La composition chimique de la matière ablatée, et en particulier la teneur en potassium (K), est estimée par Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) et la quantité d’argon (Ar) libérée est mesurée par spectrométrie de masse quadripolaire (QMS). La détermination de l’âge K-Ar requiert en outre la quantification précise de la masse d’échantillon ablatée.
Après une phase importante de développement instrumental visant à améliorer la précision et la sensibilité de la technique, nos efforts ont porté sur la calibration du dispositif. Pour ce faire, une collection d’échantillons de référence (micas, feldspaths, amphibolite, basaltes) a été réalisée et analysée (chimie totale et mesures d’âges par les techniques K-Ar et 40Ar/39Ar classiques). Ces échantillons présentent des teneurs en K de 0,15 à 11% et des teneurs de 1 à 100x1014 atomes d’40Ar* par gramme, équivalent à des basaltes martiens âgés de 700 Ma à 3 Ga pour 0,4% K.
Les résultats obtenus ont permis de définir une corrélation entre le temps d’ablation et la masse ablatée selon le type de phase minérale ciblée. Afin de valider cette corrélation, des mesures ont été menées « en aveugle » sur plusieurs échantillons, en particulier un basalte microlitique (Trapps de Viluy) similaire aux basaltes composant la surface de Mars. L’âge K-Ar in-situ de 401 ± 41 Ma obtenu par notre approche est consistant avec l’âge de 381 ± 5 Ma mesuré indépendamment sur populations de minéraux.
Plus généralement, cette étude a permis d’obtenir des âges K-Ar mesurés par notre méthode de datation in-situ avec une incertitude inférieure à 15%, y compris sur des roches peu potassiques et relativement jeunes comparées aux roches martiennes.

Abstract :

Absolute age determination is necessary to check and calibrate the relative Martian chronology presently available from meteoritic crater counting. For this purpose, we have developed an in-situ K-Ar dating prototype for planetary surfaces at GEOPS laboratory. This instrument, supported by a CNES-CNRS research program, is a laser ablation-based system built to vaporize a reproducible volume of rock or mineral. It quantifies potassium content (K) by laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and argon (Ar) by quadrupole mass spectrometry (QMS). The K-Ar age determination also requires accurate quantification of the ablated sample mass.
Following an important period of experimental setup development to improve precision, accuracy and sensitivity of the technique, our efforts focused on the calibration of the different parts of this instrument. To that purpose, a collection of reference samples (micas, feldspars, amphibolite, basalts) was done and analyzed (total chemistry and age measurements by K-Ar and 40Ar/39Ar conventional techniques). These samples show a K content between 0.15 and 11% and an Ar content between 1 and 100x1014 40Ar* atoms per gram, corresponding to Martian basalt from 700 Ma to 3 Ga for 0.4% K.
The results obtained evidence a correlation between the ablation time and the ablated mass depending on the mineral phase analyzed. In order to check this correlation, measurements were conducted on several samples, in particular a microlitic basalt (Viluy basalt) similar to Martian basalts. The K-Ar in-situ age of 401 ± 41 Ma obtained by our approach is consistent with the age of 381 ± 5 Ma measured indepedently on mineral populations.
More generally, this study allows to obtain K-Ar ages measured by our in-situ dating method with uncertainties lower than 15%, on relatively low-K and young samples compared to Martian rocks.