Isotopes (Français)
Lune des nombreuses façons dont les paléoclimatologues connaissent les conditions climatiques et océaniques du passé consiste à utiliser la composition chimique des spécimens de roches et de fossiles. Noubliez pas que les éléments chimiques sont composés dun certain nombre de protons, de neutrons et délectrons. Les éléments ont un équilibre chargé (ni positif ni négatif) car ils ont un nombre égal délectrons et de protons. Cependant, diverses réactions chimiques dans la nature amèneront les éléments à gagner ou à perdre des électrons, et les éléments deviendront chargés positivement ou négativement. Lorsque cela se produit, les éléments deviennent des ions. Les ions positifs et négatifs attireront chacun deux pour former des solides, des liquides et des gaz. Lorsquun solide se dissout dans leau, les ions positifs et négatifs se séparent et se dissocient dans leau. La plupart des roches et des parties dures fossiles sont constituées de composés ioniques.
Par exemple, le sel de table, le chlorure de sodium, se dissoudra dans leau pour former lion sodium chargé positivement et lion chlorure chargé négativement. Cela forme une solution aqueuse (à base deau):
Dans léquation ci-dessus, le (s) indique un matériau solide (sel de table), alors que (aq) indique que ces ions sont dissous dans une solution aqueuse.
Les éléments chimiques se trouvent dans différentes versions, appelées isotopes. Les isotopes sont des éléments qui contiennent la même quantité de protons, mais qui diffèrent par le nombre de neutrons dans leurs noyaux. Par exemple, il existe trois isotopes de lélément oxygène (O): loxygène 16, 17 et 18. Chaque isotope de loxygène contient 8 protons, mais diffère par le nombre de neutrons. Un nombre isotopique est une représentation abrégée de sa masse. Parce que les protons et les neutrons ont à peu près la même masse, le nombre d’un isotope est égal à la somme de ses protons et neutrons. Par conséquent, loxygène 16 a 8 protons et 8 neutrons, loxygène 17 a 8 protons et 9 neutrons, et loxygène 18 a 8 protons et 10 neutrons.
Il existe deux principaux types disotopes que les géoscientifiques utilisent pour interpréter le Terre ancienne: isotopes stables et instables. Un isotope instable subit une désintégration radioactive, où lélément perdra de lénergie avec le temps. Plusieurs isotopes radioactifs se produisent naturellement, et tous ne sont pas mauvais ou ne causent pas de tort aux humains. Cependant, les paléoclimatologues ne travaillent généralement pas avec ces isotopes instables. Au lieu de cela, nous utilisons des isotopes stables qui ne subissent pas de désintégration radioactive.
Deux des isotopes stables les plus courants utilisés par les géoscientifiques sont ceux du carbone (C) et de loxygène (O). Bien quil existe plusieurs types disotopes stables, nous parlerons principalement du carbone et de loxygène obtenus à partir des foraminifères planctiques et benthiques, car ils sont très courants en paléoclimatologie (notamment pour étudier nos océans), mais aborderons aussi brièvement dautres proxies utilisés pour les isotopes analyses.
Comment les isotopes de carbone et doxygène sont-ils obtenus?
Les paléoclimatologues obtiennent des isotopes de carbone et doxygène à partir de la calcite, un variété de carbonate de calcium, avec la formule chimique CaCO3. Dans cette formule, il y a trois éléments: le calcium (Ca), le carbone (C) et trois atomes doxygène (O). La calcite et le carbonate de calcium sont communs sur Terre et dans les océans et peuvent prendre plusieurs formes. Ici, nous parlerons brièvement des types de calcite les plus couramment utilisés pour lanalyse des isotopes.
La calcite est un composant de nombreuses roches sédimentaires. Lorsquune roche sédimentaire est composée principalement de carbonate de calcium, les géoscientifiques lappellent un calcaire. Les roches calcaires sont faciles à éroder par rapport aux roches métamorphiques et ignées. Le carbonate de calcium se dissout lorsquil est exposé à des acides. Leau de pluie étant légèrement acide, une exposition prolongée à la pluie érodera chimiquement les formations rocheuses calcaires (ou même une statue de calcaire dailleurs).
Lorsque cela se produit, les ions dissous du calcaire sont alors transportés par leau dans le sol, où ils peuvent éventuellement trouver leur chemin vers des grottes. Ici, les ions calcaires ont de lespace pour ségoutter dans la grotte et former de nouvelles formations calcaires sous la forme de stalactites et de stalagmites (communément appelées spéléothèmes). Pour analyser les isotopes stables du carbone et de loxygène des spéléothèmes, ils sont découpés dans une grotte et emmenés dans un laboratoire, où ils sont sciés en deux et polis.Une microperceuse est ensuite utilisée pour forer de minuscules échantillons à des intervalles définis le long du spéléothème à des fins danalyse isotopique.
La calcite est également utilisée par les organismes marins pour construire leurs coquilles et leurs parties dures. Les animaux invertébrés (ceux qui nont pas de colonne vertébrale) utilisent des ions de calcite dissous pour construire leurs coquilles depuis au moins le Cambrien (il y a environ 550 millions dannées). Les groupes fossiles courants qui utilisent la calcite comprennent les brachiopodes, les trilobites et les échinodermes anciens, tels que les blastoïdes. Certains animaux existants (encore vivants), comme les oursins et les huîtres, construisent également leurs squelettes à partir de calcite. De plus, certains protistes, tels que les foraminifères planctiques et benthiques, utilisent de la calcite pour réaliser leurs tests. Les organismes producteurs de calcite enregistrent les valeurs de carbone et doxygène dans leurs coquilles et peuvent être analysés pour les isotopes de carbone et doxygène.
Dans les roches du paléozoïque, les scientifiques obtiennent généralement des isotopes doxygène à partir dun autre type de fossile: les conodontes . Ces petits fossiles ressemblant à des dents sont tout ce qui reste danciens organismes ressemblant à des anguilles qui représentent certains des premiers accords. Les conodontes se trouvent généralement dans les roches calcaires, car ces créatures nagent dans les mers dans lesquelles le calcaire a été déposé. Contrairement aux brachiopodes et trilobites calcaires parmi lesquels ils vivaient, les dents de conodont sont faites dapatite, ou phosphate de calcium, avec la formule chimique Ca3O8P2. Ces scientifiques peuvent analyser les conodontes pour obtenir des isotopes doxygène.
Les scientifiques peuvent également utiliser des échantillons de calcaire prélevés directement sur un affleurement pour analyser les isotopes du carbone et de loxygène. Lobtention de ces échantillons de carbonate en vrac de calcaire implique généralement de trouver un affleurement approprié de calcaire, de marteler certains morceaux à des intervalles définis et de ramener les échantillons au laboratoire pour les analyser.
Comment les isotopes de carbone et doxygène sont-ils mesurés?
Une fois que le matériau approprié (échantillons de calcaire, spéléothèmes ou fossiles) est collecté pour lisotope analyses, un petit échantillon est placé dans un spectromètre de masse pour mesurer les quantités disotopes de carbone et doxygène dans chaque échantillon. Chaque échantillon est chargé dans un flacon, et tous les flacons sont ensuite placés dans un carrousel (voir limage à gauche, avec une flèche rouge pointant vers le carrousel déchantillons). Environ trois gouttes dacide sont placées dans les flacons pour dissoudre léchantillon, créant ainsi un gaz contenant les ions à mesurer. Les ions étant très réactifs, les mesures au sein du spectromètre de masse ont lieu dans le vide. Il existe plusieurs types de spectromètres de masse, mais lun des moyens les plus courants de mesurer les isotopes est de les manipuler par des aimants et des champs électriques et de les abattre dans un tube courbé.
Parce que les isotopes des éléments diffèrent en poids en raison de neutrons supplémentaires (par exemple, loxygène avec 18 neutrons est plus lourd quune molécule doxygène avec 16 neutrons), ils dévieront à différents angles dans le tube. Le degré auquel les ions / atomes sont déviés par un aimant dépend de leur poids. Un ion / atome / molécule plus lourd est plus difficile à dévier pour laimant, il ne tournera donc que légèrement, tandis quun i / a / m plus léger a moins dinertie et est plus facile à tourner.
Ainsi, les molécules plus légères sont plus déviées que les plus lourdes. Ces informations sont envoyées à un ordinateur, qui donne au chercheur des données sur la quantité de chaque isotope dans chaque échantillon.
Pour un compte rendu plus détaillé du fonctionnement de la spectrométrie de masse, cliquez ici. Pour une démonstration vidéo sur la façon dont les ions sont déviés dans un spectromètre de masse, cliquez ici.
Pour savoir comment les paléoclimatologues interprètent les isotopes du carbone et de loxygène, passez à la section Carbon & Page des isotopes de loxygène!