Thèse soutenue par Renske Lambert, le 28 août 2018, Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST)
La thermochromonométrie par luminescence est une technique de datation qui peut être utilisée pour contraindre l’histoire thermique d’une roche. La méthode est basée sur l’équilibre entre le piégeage d’électrons, dû au rayonnement environnemental, et l’éviction d’électrons en fonction de la température dans la structure cristalline des minéraux tels que le quartz ou le feldspath. Sur la base de la charge nette accumulée, qui peut être mesurée en tant que signal de luminescence et des contraintes obtenues en laboratoire sur la cinétique associée, cette méthode permet d’étudier quantitativement l’histoire thermique des roches. Pour obtenir une extrapolation fiable du laboratoire aux échelles de temps géologiques, un modèle approprié d’éviction thermique est requis. La compréhension des processus cinétiques contrôlant le transport de charge dans le feldspath est toutefois limitée. Dans cette thèse, l’éviction thermique de la charge piégée dans les pièges sensibles au feldspath infrarouge (IR) a été étudiée et la thermochronométrie par luminescence stimulée par infrarouge (IRSL) appliquée au massif du Mont Blanc afin de contraindre son histoire récente de refroidissement (~ 100 ka).
Contraindre l’éviction thermique de la charge piégée dans les pièges sensibles aux infrarouges dans le feldspath est essentiel pour les études thermochronométriques, mais s’est révélée compliquée car il ne s’agit pas d’un simple processus de décroissance exponentielle. Basé sur le modèle des états de ‘Band-Tail states’ proposé par Li et Li (2013), nous présentons dans cette thèse un modèle avec une distribution gaussienne d’énergie d’activation de pièges et ces modèles ont été validés sur des échantillons d’un régime thermique permanent (forage KTB en Allemagne, Guralnik et al., 2015). Grâce à des études expérimentales, l’applicabilité de la cinétique de l’ordre général et de trois modèles d’éviction thermique cinétique de premier ordre pour le feldspath a été explorée à partir d’échantillons du massif du Mont Blanc (Alpes de l’Ouest). Les données de décroissance isothermale après différentes doses montrent que le processus de décroissance thermique dans les pièges sensibles aux IR dans le feldspath n’est pas contrôlé par la concentration initiale de la charge piégée, suggérant un comportement cinétique de premier ordre ou de faible ordre. Les données de désintégration isotherme pourraient être ajustées avec précision en utilisant un modèle cinétique de premier ordre composé d’une distribution des durées de vie thermiques, à la suite d’une distribution des énergies d’activation basée sur une distribution gaussienne des profondeurs des pièges. Des signaux IRSL plus thermiquement stables ont été obtenus après des préchauffages à température plus élevée, ce qui est en accord avec un modèle de distribution.
La thermochromonométrie par luminescence permet de contraindre l’histoire de refroidissement récente (~ 100 ka) des roches, elle offre par conséquent la possibilité de quantifier les changements du gradient géothermique qui se produisent au cours de ces échelles de temps. Cette méthode a été appliquée à des échantillons de substratum rocheux du tunnel du Mont-Blanc, pour lesquels la température a probablement fluctué en réponse à l’infiltration de liquide au cours des 12 derniers ka. Les signaux IRSL50 et IRSL225 post-IR des extraits de feldspath potassique ont été mesurés. Grâce à des expériences de dosage, de décroissance athermale et isothermale, les paramètres cinétiques qui caractérisent le comportement de piégeage et d’éviction de la charge dans les pièges sensibles au IR du feldspath ont été limités. En inversant les données mesurées à l’aide du modèle cinétique contraint et l’histoire de refroidissement la plus probable de chaque échantillon de roche pour lequel la température finale était connue a été dérivée. Les résultats suggèrent des vitesses de refroidissement dans les 100 derniers ka de l’ordre de 0,1 à 0,6 °C/ka. Des résultats de modélisation antérieurs (Maréchal et al., 1999) suggèrent des vitesses de refroidissement significativement plus élevées entre 0,5 et 2 °C/ka au cours des 12 derniers ka. Les résultats impliquent que la thermochronométrie IRSL du feldspath fournit des contraintes sur les changements du gradient géothermique intégrés sur 100 ka, mais elle ne peut pas contraindre les changements à des échelles de temps de 1 à 10 ka. L’interprétation future des données de thermochromonométrie par luminescence devrait tenir compte des changements dans le gradient géothermique proche de la surface lié à la circulation hydrothermal. Une approche intégrée utilisant plusieurs thermochronomètres conduit à des interprétations plus complètes des reconstructions de champs thermiques et peut fournir un aperçu de la compréhension générale de ces systèmes, applicable dans le domaine plus large de la luminescence.
