Comportement de l'apatite sous irradiation: application à la datation d'événements géologiques

par Dee jay Cerico

Projet de thèse en Science des Matériaux

Sous la direction de Frederico Garrido et de Cécile Gautheron.


  • Résumé

    La datation des évènements géologiques tels que de la mise en place des ressources minérales, la formation et l'évolution des chaines de montagne et le remplissage des bassins sédimentaires est un point clef pour comprendre leur formation et doit reposer sur une interprétation fiable des âges obtenus. Il est donc très important de maîtriser parfaitement les outils de datation existants tels que l'(U-Th)/He, les traces de fission et l'U/Pb ce qui nécessite une excellente connaissance de l'évolution des propriétés minéralogiques des minéraux datés, lorsque soumis aux désintégrations radioactives liées aux chaînes de l'uranium et du thorium. La diffusivité de l'He, du Pb ainsi que la cicatrisation des défauts sont dépendants de la température à des taux plus ou moins contraints. Cependant, l'évolution des propriétés minéralogiques et de la cicatrisation des défauts cristallins produits lors des émissions radioactives est mal connue alors qu'elles jouent un rôle important. Le projet de thèse se concentre sur la caractérisation de l'impact de l'irradiation à faibles et fortes doses sur les propriétés minéralogiques des phosphates et plus particulièrement l'apatite et la monazite. Ces deux minéraux sont très utilisés en Sciences de la Terre et se trouvent dans diverses roches. En effet, ces minéraux sont impactés par l'endommagement radioactif lors des désintégrations de l'U-Th qui se trouvent naturellement dans le réseau cristallin, mais leur caractérisation reste encore mal comprise. Par exemple, il a été montré que les défauts créés lors des désintégrations alpha altèrent fortement les propriétés de diffusion de l'He, et une étude récente montre que les particules alpha pourraient aussi cicatriser partiellement les défauts tels que les traces de fission. A plus forte dose, ces défauts semblent aussi s'agréger et aller jusqu'à la formation de bulles d'He. Les mécanismes de création et de guérison des défauts restent encore à déterminer. Dans ce projet, nous proposons d'étudier l'évolution des propriétés minéralogiques de minéraux tels que les phosphates (apatite et monazite) par plusieurs approches utilisant des faisceaux d'ions (en particulier la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en géométrie de canalisation) et de la microscopie à transmission. Plus en détail, la caractérisation des défauts pourra se faire à l'aide de techniques d'imagerie directe et indirecte d'échantillons irradiés avec des ions légers et lourds à faible et forte dose pour reproduire les défauts naturels. Ce projet est par essence pluridisciplinaire regroupe deux laboratoires de Paris Saclay : CSNSM et GEOPS.

  • Titre traduit

    Radiation tolerance of apatite: application to the dating of geological events


  • Résumé

    The dating of geological events such as the setting up of mineral resources, the formation and evolution of mountain ranges, and the filling of sedimentary basins is one of the key points to understand the formation of geological features and must be based on a reliable interpretation of the ages obtained. It is therefore very important to perfectly control existing dating tools such as (U-Th) / He, fission tracks, and U/Pb which requires a deep knowledge of the evolution of properties while submitted to uranium and thorium radioactive decay chains. Diffusivities of He, Pb, and the annealing of crystalline defects depend on the temperature. Nevertheless, the evolution of the properties of irradiated apatite and the annealing of crystalline defects under irradiation is poorly known but of major importance. The PhD proposal focuses on the characterization of the role played by irradiation at low and high doses on the properties of apatite. This mineral is of major importance in geology and is common in various rocks. Their crystalline lattices are indeed altered by radioactive decays of U and Th atoms but the extent of the radiation damage is not well understood. Recent investigations have shown that radiation-induced defects induced by the alpha particles may partially anneal the damage created by fission fragments. At higher doses, defect clustering occurs and leads to the formation of He bubbles. The detailed mechanisms of damage creation and annealing have to be established. This project focuses on the evolution of the properties of apatite through the use of ion beam analysis techniques (Rutherford Backscattering Spectrometry in the channelling mode and Elastic Recoil Detection Analysis) and Transmission Electron Microscopy. Defect characterization will be performed by direct and indirect imaging techniques on irradiated crystals with light and heavy ions from low to high doses to reproduce the disorder in natural crystals. This project requires a multidisciplinary approach and is located at two laboratories of the Université Paris-Saclay: CSNSM and GEOPS.