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Fiche détaillée Thèses
Université Paris Sud - Paris XI (02/07/2012), Maurice Pagel (Dir.)
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Influence des propriétés cristallochimiques de la calcite sur la diffusion de l'hélium et essai de datation (U-Th-Sm)/He de calcite filonienne et de remplissage de brèche
Alexandre Cros1

La datation des carbonates est un enjeu important en géosciences car ces minéraux sont présents dans tous les grands cycles superficiels terrestres. Actuellement, l'âge de formation des cristaux de calcite de failles peut être déterminé par la méthode de déséquilibre U-Th ou par la méthode U-Pb. La potentialité de la méthode (U-Th-Sm)/He a été envisagée à partir des premiers résultats de diffusion de l'hélium dans les carbonates (Copeland et al. 2007) qui montrent que l'hélium est rétentif à basse température, inférieure à 70°C. Le développement de cette méthode nécessite une identification des propriétés cristallochimiques et du comportement de la calcite afin de discuter la validité des âges obtenus. Une zone de déformation au contact d'une faille normale du fossé d'effondrement de Gondrecourt à Augeville (Est du bassin de Paris) et des cristaux de calcite géodique des argilites de Tournemire (Aveyron) ont été étudiés. Une étude pétrographique et géochimique (analyse des isotopes stables δ18O et δ13C et des éléments mineurs et traces) a permis d'identifier les phases de remplissage de la zone de déformation d'Augeville. Sur les phases de remplissages une étude cristallographique par DRX (diffraction des rayons X) et ATG (analyse thermogravimétrique) a permis d'identifier les propriétés mécaniques de la calcite à différentes températures. Des expériences de diffusion de l'hélium ont été conduites selon un protocole différent de celui de Copeland et al. (2007) : temps de chauffage inférieur à 12 heures au lieu de paliers de chauffage de plusieurs heures à semaines. Des datations (U-Th-Sm)/He ont été réalisées sur toutes les phases de remplissage de la zone de déformation ainsi que sur les cristaux géodiques de Tournemire. Les résultats pour Gondrecourt mettent en évidence une zone de déformation à remplissage calcitique pluriphasée qui marque chaque étape de l'évolution tectonique de la zone. Il s'agit majoritairement de remplissages de brèches hydrauliques à brèches chaotiques avec, pour finir, la mise en place de filons. Sur ces minéralisations les résultats cristallochimiques montrent que lorsqu'ils sont soumis à une température croissante, de température ambiante à 400°C, ou sur le long terme à 200°C, il y a un accroissement du nombre de microfissures qui aboutit à la formation de clivage. L'évolution cristallochimique sous l'effet de la température présente des modifications structurales pour chacune des phases étudiées. Les expériences de diffusion dépendent de ces microfissures et de cette évolution microstructurale. Ces résultats mettent en évidence les mécanismes de diffusion de l'hélium dans la calcite à travers de multiples domaines de diffusion différents de la taille du grain. Ces domaines de diffusion dépendent de l'état microstructural de l'échantillon. Les résultats de datation (U-Th-Sm)/He présentent une large dispersion de 0,1 Ma à 35 Ma pour la zone de déformation de Gondrecourt et de 0,4 Ma à 20 Ma pour les cristaux géodiques de Tournemire. La variation des âges est en partie liée à la position des cristaux de calcite dans la succession paragénétique qui entraine un continuum de fracturation qui génère de multiples domaines de diffusion dans les cristaux de calcite.
1 :  IDES - Interactions et dynamique des environnements de surface
Calcite de faille – Cristallochimie – Datation – (U-Th-Sm)/He – Diffusion

Crystallographic influence of calcite mineral on helium diffusion and (U-Th-Sm)/He datation experiment on calcite vein and breccia filling
Carbonate dating is a major issue in geosciences due to their widespread terrestrial environments presence . Precipitation ages determination are actually provide by U-Th disequilibrium series for young <1 Ma carbonates crystal and/or U-Pb method for older samples. In addition, Copeland et al. (2007) have proposed the development of (U-Th-Sm)/He dating method based on retentive helium behavior at surface temperature, conclusion issue of their first diffusion coefficients determined on carbonates samples. In this thesis work, the intention was to get an identification of crystallo-chemical properties and behavior of helium in calcite to date samples by (U-Th-Sm)/He and finally discuss the validity of this method. Deformation zones in contact to the normal fault of the Gondrecourt trench close to Augeville (eastern side of Basin of Paris) and calcite crystals geodic Tournemire argillites (Aveyron) were studied. Petrographic and geochemical couples studies (analysis of stable isotopes δ18O and δ13C and minor and trace elements) have allow the filling phases identification of the Augeville deformation zone. Based on the filling phases results, a crystallographic study by XRD (X-ray diffraction) and TGA (Thermogravimetric analysis) have been performed to identify the mechanical properties of calcite at different temperatures. Then, diffusion experiments on natural helium were conducted using a protocol differing than Copeland et al. (2007): heating time less than 12 hours instead of heating stages from hours to weeks. (U-Th-Sm)/He analyses were performed on all filling phases of the deformation zone and on the crystal geodes of Tournemire. Results for Gondrecourt samples show a deformation zone that marks several calcitic fillings corresponding to each stage of the tectonic evolution of the area. Calcite filling mainly corresponds to breccia and/or vein fillings which have precipitated approximatively in the same time. Crystallochemical results of these samples, show an increased number of microcracks leading to the formation of cleavage when samples are subjected to temperature increasing, from room temperature to 400 °C, or several days the long term at 200 °C. The crystallochemical evolution under the effect of temperature exhibits structural modifications for each studied phase. Diffusion experiments depend on these microcracks abundance and the microstructural evolution. These results emphasize the mechanisms of helium diffusion in calcite across multiple diffusion domains at different grain size. These multiple diffusion domains are linked to microstructural state of the sample. The results of dating (U-Th-Sm)/He ages show a wide dispersion of 0.1 to 35 Ma for the deformation zone Gondrecourt and from 0.4 to 20 Ma for Tournemire crystal geodes. Ages variation are partly related to the calcite crystals position in the paragenetic sequence. When a mineral undergoes deformations it becomes less retentive.
Fault calcite – Cristallochemistry – Dating – (U-Th-Sm)/He – Diffusion