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Accueil > Équipes > LAsers, Molécules et Environnement > Thématiques > Mesure des rapports isotopiques

Traceurs isotopiques

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Dans le contexte des sciences de la terre et de l’univers, les isotopes stables sont largement utilisés pour étudier l’environnement, les grands cycles physico-chimiques naturels et l’histoire géologique de notre planète. L’exemple le plus connu est celui du cycle du carbone, dans lequel chacun des flux entre différents grands réservoirs naturels (océans, atmosphère, biosphère, carbone fossile,...) est caractérisé par une « signature » isotopique, ce qui permet de quantifier certains de ces flux en mesurant la concentration en carbone-13 (notée δ13C) dans divers réservoirs. Ainsi, par exemple, l’observation que le CO2 atmosphérique voit depuis 150 ans sa valeur de δ13C diminuer au fur et à mesure que sa concentration augmente permet d’attribuer l’essentiel de cette augmentation aux sources fossiles, qui sont nettement plus pauvres en 13C que les autres sources de carbone.

Cependant, les systèmes naturels sont complexes et les traceurs isotopiques « classiques » (δ13C, δ18O, δ2H,...) sont souvent insuffisants pour rendre compte de tous les paramètres que l’on souhaite étudier. Ainsi, par exemple, la composition en oxygène-18 des carbonates marins issus de carottes sédimentaires provenant de toutes les mers du globe varie très clairement suivant des cycles quasipériodiques de 100 000 et 40 000 ans au cours des derniers 2,6 millions d’années. On sait depuis longtemps que ces cycles reflètent la fois l’évolution de la température des océans et celle de leur composition isotopique (δ18O, qui varie avec le volume des calottes glaciaires), mais il reste souvent difficile de quantifier précisément les parts respectives des ces deux facteurs. En complément des traceurs isotopiques classiques, le développement de nouveaux traceurs est venu progressivement enrichir la palette des outils permettant d’étudier ces systèmes complexes. Par exemple, l’anomalie d’oxygène-17, notée Δ17O, est définie comme l’écart du rapport 17O/16O mesuré dans un échantillon par rapport à des lois phénoménologiques qui décrivent la distribution des trois isotopes stables de l’oxygène (16O, 17O, 18O) dans différentes molécules (O2, H2O, CO2, C32O-,S42O-,...).

En mesurant précisément Δ17O, on obtient une information supplémentaire qui vient compléter les autres observations isotopiques (ex : δ18O). Le clumping isotopique* désigne une autre catégorie de traceurs isotopiques, définis comme des anomalies statistiques par rapport à une distribution purement aléatoire (« stochastique ») des isotopes dans un échantillon donné. Le plus connu de ces traceurs est le "clumping" isotopique dans le CO2 et les minéraux carbonatés (« Δ17 »), défini comme l’anomalie statistique associée aux isotopologues du CO2 de masse 47, principalement constitués de 16O13C18O. Dans de nombreux carbonates naturels, la valeur de Δ47 est directement reliée à sa température de cristallisation.

Pour revenir à l’exemple précédent, si l’on est capable de mesurer précisément, dans un carbonate marin, à la fois δ18O et Δ47, il devient possible de distiguer quantitativement entre les effets de température et ceux de la composition isotopique de l’eau. Ces nouveaux traceurs ont connu un essor rapide au cours des vingt dernières années, et leurs applications couvrent une très large gamme de domaines scientifiques (paléo-climatologie, processus diagénétiques, pétrologie, chimie de l’atmosphère, méthanogenèse, biocalcification, paléohydrologie, cosmochimie...). Leur mesure repose habituellement sur des techniques de pointe relevant de la spectrométrie de masse associées à un savoir-faire analytique spécialisé (protocoles de préparation d’échantillons, standardisation des mesures,...). L’Ile-de-France dispose d’une expertise internationalement reconnue pour ce qui concerne la mesure du clumping isotopique, avec les deux seuls laboratoires français disposant actuellement d’infrastructures pour les analyses de Δ47 (Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement ; Institut de Physique du Globe de Paris).