Thermochronologie (U-Th)/He sur apatite: compréhension de la cinétique de diffusion par approches multidisciplinaires – HeDiff

La quantification de l’histoire thermique de la croûte continentale est une clef permettant la compréhension des processus comme la construction des chaînes de montagnes et l’évolution des bassins sédimentaires. Les thermochronomètres constituent des outils très largement utilisés à ces fins, mais les processus physiques déterminant les âges thermochronométriques restent peu compris. Le système (U-Th)/He sur l'apatite (AHe) est très rapidement devenu un thermochronomètre très populaire ; cependant des données récentes et des modèles démontrent que l'interprétation des données AHe dépendent d'une connaissance précise de la diffusion de l’He, qui aujourd’hui fait défaut. Plusieurs études ont mis en évidence des âges AHe beaucoup plus vieux que prévu (jusqu’à plus de 100 % dans quelques cas) et les interprétations géologiques de ces données deviennent alors questionnables. Des études récentes semblent montrer que les dommages créés par le recul des noyaux émetteur alpha, lors des désintégrations U-Th, augmentent la rétention de l’He dans les cristaux d’apatite. Des modèles de création de dommages et de cicatrisation thermique de ceux-ci ont été proposés, afin reproduire les âges AHe, mais ces modèles restent faiblement contraints et n'expliquent pas totalement le mécanisme de rétention.

Ce projet a l'intention d’améliorer de manière significative notre compréhension des mécanismes de diffusion de l’He dans apatite par des approches pluridisciplinaires. Tous les aspects des modèles actuels seront expérimentalement vérifiés et de nouveaux modèles seront testés afin de travailler sur chacune des étapes de la diffusion. Ce projet s’axe autour de trois tâches 1) quantifier les mécanismes de diffusion de l’He ; 2) quantifier la production des dommages d’irradiation et leurs cicatrisations et 3) calibrer et comparer les nouveaux modèles avec des âges obtenues pour des cas géologiques contraints. Actuellement seules des équipes de recherche américaines travaillent sur la quantification de la diffusion, en utilisant principalement des modèles empiriques basés sur des expériences de diffusion par dégazage de l’He sous vide. Cependant, ces approches ne permettent pas d'évaluer quantitativement les mécanismes de diffusion d'un point de vue physique et de plus la procédure analytique employée modifie le comportement de diffusion en raison des hautes températures impliquées (et de la cicatrisation des dommages). En contraste, ce projet est basé sur des approches innovantes utilisant des calculs ab initio/dynamique moléculaire pour tester les mécanismes possibles, des expériences de physiques nucléaires, des expériences de diffusion contrôlée à basse température et des calibrations géologiques. Seules deux études sur l’apatite, en 1998 et 2010, ont utilisé des méthodes nucléaires (implantation, diffusion élastique) pour déterminer les coefficients de diffusion de l’He. Les partenaires de ce projet ont travaillé sur la diffusion de l’He depuis 2009 et ont proposé des approches complémentaires sur les mécanismes physiques agissants sur la rétention de l’He. Les quatre partenaires sont des spécialistes de chaque sujet et des tests préliminaires ont été réalisés pour les nouvelles techniques proposées, assurant le succès du projet. Ce projet permettra des avancées dans la connaissance des processus physiques contrôlant la diffusion de l’He dans l’apatite et permettra aux partenaires de ce projet d’atteindre un niveau international leader dans ce champ de recherche.