2) Principe de la méthode des Traces de fission sur cristaux d'apatite

2. Principe de la méthode

La fission naturelle, correspondant à la fission spontanée, est produite par l’uranium 238 (²³⁸U). L’²³⁵U et le ²³²Th ont une période de fission trop importante pour que celle-ci soit mesurable à l’échelle des temps géologiques. La fission spontanée d’un atome d’²³⁸U libère deux atomes fils ionisés dits « fragments de fission » associés à quelques neutrons et une énergie atteignant environ 200 MeV. Cette dernière est exprimée sous la forme d’énergie cinétique (Ec).

Etant donnée la faible abondance isotopique de l’²³⁵U (0,7%) et sa période de désintégration par fission spontanée supérieure à l’²³⁸U, sa contribution à la formation des traces de fission spontanée est négligeable (<1/10000 par rapport à l’²³⁸U). Néanmoins, cet isotope possède la propriété de fissionner par capture neutronique, ce qui est indispensable pour la technique de datation par traces de fission.

Les "fragments de fission" générés sont propulsés dans des directions opposées dans le minéral (Fig. 2). Les fragments de fission chargés perdent leur énergie en traversant la matière selon essentiellement deux processus :

1. les forces électrostatiques entre un ion lourd énergétique qui se propage dans un milieu et les électrons qui entourent les noyaux des atomes de ce milieu peuvent conduire à l'arrachement d'un ou plusieurs électrons de leur orbite, c'est le processus d'ionisation.

2. les chocs interatomiques causés par le passage du fragment de fission peuvent induire un déplacement direct des atomes du milieu. Ce processus intervient de façon prépondérante pour des énergies d’1MeV, c'est à dire dans un domaine où les ions lourds ne donnent plus de traces révélables.

Les traces seraient essentiellement une conséquence des ionisations produites dans le milieu ambiant par les ions. La modélisation de ce phénomène est exprimée dans le modèle du «pic d'explosion ionique» (Fig. 2).

Ce phénomène de fission, induit selon le modèle de pic d’explosion ionique (Fleischer et al., 1965 ; Fleischer et al., 1975 : Fig. 2), provoque une désorganisation locale de la maille cristalline (création de défauts) engendrée par une interaction électrostatique avec les atomes environnants (Fig. 2-III) le long du trajet des fragments de fission. La conséquence de la répulsion électrostatique ainsi générée est la formation d’une aire linéaire déprimée en atomes, d’un diamètre très faible (inférieur à 10 nm) et d’une longueur maximale s’échelonnant sur environ quelques µm (suivant le pouvoir d’arrêt de l’espèce minérale).  

La trace discrète produite est dite « trace latente[1] ». Ces traces s’accumulent dans le cristal au cours du temps. Le nombre de traces dans un cristal d’apatite donné dépend de plusieurs paramètres physiques et chimiques, dont les principaux sont la durée pendant laquelle ces traces se sont accumulées (Fig. 3) et la concentration en uranium.

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[1] Trace de fission qui n’est pas observable au microscope optique de par son très faible diamètre (quelques nm). Etant donné sa structure thermiquement instable, elle tend à disparaître. Une trace est définie comme latente  jusqu’au moment de sa fixation définitive par attaque chimique où elle pourra être visible au microscope optique.

Il existe plusieurs approches expérimentales pour réaliser une datation par traces de fission (Gleadow, 1981). Les datations réalisées dans cette étude sont toutes issues de la méthode du détecteur externe qui consiste à dater individuellement plusieurs cristaux d’une même espèce minérale. C’est la méthode qui est la plus couramment utilisée dans les laboratoires (Gleadow, 1981 ; Hurford 1990a). Elle est simple à mettre en œuvre, peu consommatrice en cristaux et peut être applicable pour des cristaux à section prismatique (Jonckheere et al., 1993). Cette méthode est indispensable lorsque les variations de concentration en uranium sont importantes d’un cristal à l’autre, notamment dans les roches sédimentaires détritiques où dans cette situation, chaque grain peut être porteur d’une histoire thermique spécifique (Gleadow et al., 1976 ; Hurford 1990a). Elle a l’avantage de permettre une datation grain par grain d’une même espèce minérale procurant une meilleure homogénéité de l’information contenue dans les traces de fission. Ces caractéristiques permettent de contourner le problème lié aux hétérogénéités chimiques potentielles des différents cristaux d’un échantillon.

Du point de vue expérimental (Fig. 4), la méthode du détecteur externe consiste à polir et à traiter chimiquement l’ensemble des cristaux qui compose un échantillon. Cette surface polie est soumise à un traitement chimique nécessaire à la révélation des traces spontanées. Cette attaque chimique sélective, provoque l’élargissement de la section des traces par dissolution (révélation des traces) qui sont dès lors observables au microscope optique. Un détecteur externe (feuille de mica) est fixé sur le montage puis irradié conjointement. Les traces induites ainsi générées sont révélées à leur tour sur la feuille de mica.

Avec cette méthode, les traces spontanées et induites sont mesurées pour les mêmes grains. La mesure de ρ_i s’effectue sur un feuillet de mica qui a « enregistré » le processus de fission induite dans le cristal. Il est disposé à la surface du cristal (détecteur externe irradié conjointement avec le cristal puis soumis à un traitement acide).