Datation des cristaux de calcite issus de circulations de fluides dans les zones de déformation

Histoire thermique des zones étudiées et validité des cas d’étude

La description de la zone de faille de Gondrecourt et de son histoire thermique est détaillée dans le chapitre II ; les échantillons n’ont pas connu de température supérieure à 30°C depuis leur formation. Le deuxième site d’étude à Tournemire est localisé dans le sud de la France, sur la bordure ouest du bassin des Causses. Les cristaux de calcite ont été prélevés sur une géode de calcite contenue dans des argilites. Celle-ci a été prélevée dans une zone de failles senestre dans la galerie Est du site de Tournemire. Dans les argilite du Toarcien (Lias) se trouvent deux générations de remplissages calcitiques. Les prélèvements ont été réalisés dans la seconde génération qui constitue l’essentiel du filon. D’après Peyaud et al. (2006), les remplissages calcitiques sont issus d’une circulation de fluides dans les fracturations associées à la phase tectonique pyrénéenne (~ 50-60 Ma). Le site de Tournemire a subi une érosion de l’ordre de 600 m, ainsi la température maximale que les échantillons ont pu enregistrer est de ~18°C supérieure à la température actuelle de surface pour un gradient thermique de 30°C/km. Ainsi, pour les deux cas d’étude, l’évolution de l’âge (U-Th-Sm)/He a été simulée pour un cristal de calcite ayant précipité entre 50 et 0 Ma, et est restée à une température constante. (Figure V.1). Les coefficients de diffusion obtenus par Copeland et al. (2007) pour les carbonates ont été utilisés. La figure V.1. illustre l’évolution de l’âge He apparent en fonction des différentes températures. Dans le cas de Gondrecourt et de Tournemire, la température maximale ayant affecté les échantillons est de 30°C, et dans ce cas, l’âge He mesuré est très voisin à celui de précipitation (Figure. V.1). 

Sélection des échantillons et analyses

Les grains ont été prélevés soit par fragmentation à l’aide d’un tournevis et d’un marteau, soit simplement par prélévement à la main. Par la suite les échantillons ont été fragmentés par pression avec un pilon dans un mortier en agate afin d’obtenir des grains de taille millimétrique. Les plus gros grains ont été fragmentés en plusieurs sous grains. L’ensemble des échantillons présente des formes rhomboédriques, pseudo rhomboédriques, ou irrégulières et, dans la plupart des cas, les cristaux sont translucides à l’exception des cristaux de calcite brèchiques. Les cristaux analysés ont été sélectionnés sous une loupe binoculaire suivant plusieurs critères 1) de pureté minérale (sans traces visibles d’inclusions solides ou de traces d’oxydes en surface), 2) de forme et 3) de présence minimale de clivages visibles. Les cristaux ont été pesés puis emballés dans une feuille de platine ultra pure (0,01 mm, 99,95%). Le tableau V.1 présente les caractéristiques cristallographiques : taille, masse et présence de clivages des échantillons. Dans les tableaux V.1 et V.2, les masses et les caractéristiques morphologiques des échantillons sont répertoriées. Pour le site de Gondrecourt, plusieurs cristaux des échantillons AB7#1 et AB7#3 ont été séparés en plusieurs sous échantillons. Pour AB7#1, il s’agit de AB7#1(Pa), AB7#1(10). Les échantillons AB7#3 sont divisés en deux sous séries, AB7#3(Pa) et AB7#3(11). Des répliquats de chaque échantillon ont été réalisés et notés 1, 2,3 pour les échantillons AB7 et a, b, c pour les échantillons provenant de la tranchée d’Augeville (tableaux II.1). Les échantillons de la tranchée correspondent à ceux présents dans le chapitre II. Concernant Tournemire, des cristaux de calcite de la géode GE2930 de trois zones différentes ont été prélevés To-1 (ou Tournemire-1), To-2 et To-3. Les échantillons To-2A, To-2B sont des sous-familles de la zone 2, To-3A et To-3C de la zone 3. Les datations (U-Th-Sm)/He et les analyses chimiques ont été réalisées en suivant les différents protocoles présentés dans le chapitre I. Les résultats des âges He et des compositions chimiques pour certains éléments majeurs et la somme des éléments traces se trouvent dans les tableaux V.3 et V.4. Cependant les concentrations brutes de tous les éléments analysés se trouvent dans le chapitre II et en annexe

Datation (U-Th-Sm)/He – Calcite de Gondrecourt

Les âges (U-Th-Sm)/He des échantillons de Gondrecourt varient de 0,4±0,2 Ma à 205±27 Ma et ne présentent pas de corrélation avec la concentration d’uranium effectif (eU=U+0,24xTh) comme illustré dans la figure V.2. De plus, au sein d’un même échantillon, les répliquats montrent de fortes dispersions des âges autant que des concentrations en eU (Tableau V.3). Les concentrations d’hélium pour l’ensemble des échantillons varient de 0,32 pmol/g à 64,3 pmol/g avec une valeur plus élevée à 143,7 pmol/g. Les concentrations en uranium varient de 8 à 2917 ppb pour l’ensemble des échantillons. Il ressort que les échantillons de remplissage brèchique et de microfratures présentent de façon générale des concentrations en uranium plus élevées que les autres phases calcitiques, avec des valeurs qui peuvent être comprises entre 1000 et 2000 ppb. Les cristaux de calcite filonienne grisâtre ou jaunâtre ainsi que les cristaux de calcite géodique présentent des concentrations inférieures à 1000 ppb. Les concentrations en thorium sont, pour la plupart des échantillons, très faibles, inférieures à 50 ppb, exceptés pour l’échantillon AB7#1(Pa) qui présente des valeurs élevées atteignant 1148 ppb.Pour l’ensemble des échantillons, excepté AB7#1, il n’y a pas de corrélation entre la concentration en thorium et les âges (Figure V.3). AB7#1 présente optiquement des traces de lichens et d’oxydation. Il n’est pas à exclure que, sur cet échantillon des dépôts d’oxyde sur les surfaces ou dans les clivages se soient produits. Pour l’ensemble des échantillons, les rapports Th/U sont inférieurs à 1, sauf pour les échantillons AB7#1 où les rapports sont compris entre 1 et 20 (Figure V.3). Une corrélation positive est notable avec les âges (U-ThSm)/He avec le rapport Th/U. Cette corrélation est liée au fait que les âges les plus vieux sont ceux associés aux faibles concentrations d’uranium. Les deux datations qui présentent des âges élevés, de 204,5±27,3 Ma et de 151,2±7,2 Ma, sont des âges incohérents avec des structures géologiques d’âge tertiaire. Ces deux âges ne seront pas considérés dans la discussion. L’hypothèse la plus probable est une contamination en U et Th sur les surfaces ou les clivages. Dans ce cas, l’hélium s‘implante lors de la décroissance radioactive