Analyse des gaz rares par spectrométrie de masse statique - Mesures et applications

Les gaz rares sont des éléments extrêmement volatils concentrés essentiellement dans les réservoirs de surface de la Terre, et particulièrement dans l'atmosphère. Leurs compositions élémentaires et/ou isotopiques, qui ne peuvent pas être affectées par des réactions chimiques ou biologiques, dépendent ainsi de (i) leur composition initiale/héritée (autrement dit, la source), (ii) de contributions secondaires issues de réactions nucléaires (radioactivité, fission, réactions de spallation), et/ou (iii) de fractionnements dépendants de la masse liés à des processus physiques tels que la diffusion, l'évaporation ou la condensation. La géochimie des gaz rares est principalement utilisée comme un outil de datation et de traçage afin de mettre en lumière des processus géologiques autrement impossibles à distinguer. Elle permet par exemple, de bien comprendre les processus physiques lors d’éruptions volcaniques ou encore l’origine de certains fluides, roches ou minéraux. La composition isotopique des gaz rares, bien caractérisée et quantifiée, que ce soit dans l'atmosphère, la croûte terrestre, les sédiments ou le manteau, permet de bien comprendre l’évolution d'un objet géologique au cours du temps et de mettre en évidence des phénomènes de mélanges entre plusieurs réservoirs. Ils apportent enfin des informations sur l'origine et l'évolution des éléments volatils majeurs, tels que l'eau, le carbone, l'azote, dont le traçage est difficile du fait de leur participation à des réactions chimiques et biologiques lors de processus géologiques. Déterminer quand, et sous quelle(s) forme(s) les éléments volatils ont été mis à disposition à la surface de la Terre est crucial pour mieux comprendre :

• l'évolution de l'atmosphère ;

• la provenance et le devenir de l'eau sur Terre ;

• la mise en place de conditions favorables au développement de la vie.

Avant d'être exploité, ce puissant outil de recherche nécessite toutefois, de maîtriser la totalité de la chaîne analytique, à savoir :

• l'extraction des gaz rares sous ultravide (UHV) pour s'affranchir de toute contamination atmosphérique [J 6 632] ;

• la purification et la séparation des gaz rares les uns des autres dans des enceintes UHV développées spécifiquement pour répondre aux projets de recherches [J 6 634] [J 6 635] ;

• l'analyse par spectrométrie de masse statique de la composition élémentaire et isotopique des gaz rares [J 6 636] ;

• le traitement des données brutes abordé dans cet article.

Cet article, qui vient donc en complément des quatre articles précédemment cités, décrit les modes d'acquisition des signaux en mono- et multicollection et de leurs interpolations. Une méthode est proposée pour calculer une concentration à partir de la sensibilité du spectromètre de masse. L'influence des interférences isobariques est aussi exposée, accompagnée des méthodes de correction ayant été développées pour s'en affranchir. Une méthode de propagation d'erreurs, indispensable à toute exploitation scientifique de résultats analytiques est présentée. Enfin, une liste d'applications, non exhaustive, a été rapportée pour donner aux lecteurs une idée du vaste champ d'applications accessibles à la géochimie des gaz rares.

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

Comme il est d'usage dans la profession, les rapports des symboles chimiques cités dans cet article sont, sauf indication contraire, atomiques, soit en nombre d'atomes pour un échantillon donné.