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Analyse des gaz rares par spectrométrie de masse statique - Théorie et instrumentation

La géochimie des gaz rares s'est, depuis les années 1950, considérablement développée avec les progrès de la spectrométrie de masse. Ils sont considérés aujourd'hui par la communauté des géosciences comme de puissants traceurs, grâce notamment à leur inertie chimique vis-à-vis du milieu dans lequel ils se trouvent. Leurs concentrations dans certains minéraux, par exemple, permettent actuellement de quantifier les vitesses d'exhumation et d'érosion de nos reliefs par des méthodes de thermochronologie ou encore d'apporter des outils de datation (méthodes K/Ar, Ar/Ar, U-Th-Sm/He, Isotopes cosmogéniques ³He, ²¹Ne et ³⁸Ar) indispensables à l'archéologie, la volcanologie, la paléoclimatologie, la cosmochimie, etc. Des contraintes supplémentaires sur l'origine et l'évolution des gaz rares peuvent aussi être apportées à l'aide de leurs signatures isotopiques (e.g. ³He/⁴He ; ²⁰Ne/²²Ne, ²¹Ne/²²Ne ; ⁴⁰Ar/³⁶Ar, ³⁸Ar/³⁶Ar…). Celles-ci permettent par exemple de mettre en évidence la présence d'isotopes d'origine cosmogénique (³He, ²¹Ne, ³⁸Ar, ^78-83Kr, ^124-128Xe), radiogénique (⁴He, ⁴⁰Ar, ¹²⁹Xe), nucléogénique (²¹Ne) ou encore fissiogénique (e.g. ^131-136Xe). L'utilisation de rapports isotopiques permet de tracer l'origine des sources de gaz volcaniques (e.g. croûte terrestre, manteau supérieur ou inférieur) émanant à la surface de la Terre, ou encore de mettre en évidence des processus de fractionnement dépendant de la masse lors de processus physiques tels que la diffusion ou la condensation/évaporation.

L'ensemble de ces applications nécessite toutefois d'extraire sous ultravide les gaz rares dans une enceinte. Celle-ci est connectée à un spectromètre de masse par l'intermédiaire d'une seconde enceinte appelée ligne de purification. La méthode d'extraction (broyage, ablation, fusion) retenue pour extraire les gaz rares d'un échantillon dépend de la nature de celui-ci (roches, minéraux séparés, lame mince ou épaisse), de la phase étudiée (matrice, inclusion fluide, etc.) et des concentrations en gaz dans celle-ci [J 6 632]. Les gaz extraits sont ensuite purifiés [J 6 634] [J 6 635] afin de séparer, le plus souvent par chimisorption, les gaz réactifs (H₂, N₂, O₂, CO₂, etc.) des gaz rares. Ces derniers, séparés des uns des autres par physisorption, sont au final introduits dans un analyseur les uns après les autres pour y mesurer leurs concentrations et leurs compositions isotopiques.

Cet article vient donc en complément des trois articles [J 6 632] [J 6 634] [J 6 635] pour décrire une technique d'analyse des gaz rares par spectrométrie de masse en mode statique. Une description de la source à bombardement électronique, des tubes de vol existants et des moyens de détection sont ainsi abordés en détail. Tous les spectromètres de masse de dernière génération y sont mentionnés.

Un glossaire en fin d'article donne les principales définitions nécessaires à une bonne compréhension de l'article.