Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
L'ensemble des techniques présentées dans cet article ont été conçues puis développées dans les laboratoires de recherches afin d'extraire les gaz, notamment les gaz rares, piégés dans les roches. Les méthodes d'extraction, toujours réalisées sous ultravide pour s'affranchir d'une contamination atmosphérique, reposent sur le broyage, la fusion (four résistif, inductif, laser CO2) ou encore l'ablation (laser exciplexe) et sont mises en œuvre en adéquation avec la nature des échantillons. Cet article se borne à décrire techniquement les systèmes d'extraction et à présenter leurs domaines d'utilisation ainsi que leurs limites.
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The analytical procedures presented in this paper have been designed and developed in research laboratories in order to extract gases, namely the noble gases, trapped in rocks. The extraction methods, always carried out under ultra high vacuum in order to minimize atmospheric contamination, include crushing, fusion (resistive or inductive furnace, laser CO2) or ablation (exciplexe) and depend on the nature of the samples. This article describes the extraction systems and presents their fields of use and their limits.
Auteur(s)
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Laurent ZIMMERMANN : Ingénieur d'études, CNRS, Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, Vandœuvre-lès-Nancy
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Bernard MARTY : Professeur des universités, CNRS, Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, Vandœuvre-lès-Nancy - École nationale supérieure de géologie, Nancy
INTRODUCTION
Les gaz rares, encore appelés gaz nobles, sont des éléments chimiques appartenant au groupe « 0 » du tableau périodique. Ce sont, dans les conditions normales de température et de pression (273 K, 1 atm), des gaz monoatomiques de symboles respectifs He (Hélium), Ne (Néon), Ar (Argon), Kr (Krypton) et Xe (Xénon). Leurs couches électroniques externes saturées, à deux électrons pour He et à huit pour Ne-Ar-Kr et Xe, leur confèrent une caractéristique physique particulière, à savoir une inertie chimique vis-à-vis des autres éléments et ils sont, de ce fait, considérés comme d'excellents traceurs géochimiques. Chaque gaz rare possède plusieurs isotopes : 2 pour l'hélium (3-4He) ; 3 pour le néon (20-21-22Ne) et l'argon (36-38-40Ar) ; 6 pour le krypton (78-80-82-83-84-86Kr) et enfin 9 pour le xénon (124-126-128-129-130-131-132-134-136Xe), et leurs compositions isotopiques n'ont cessé d'évoluer depuis l'accrétion de la Terre, il y a 4,56 milliards d'années, par des réactions nucléaires qu'elles soient de nature radiogénique (radioactivité), nucléogénique (réactions nucléaires) ou encore cosmogénique (production d'isotopes par interactions avec le rayonnement cosmique). Par ailleurs, l'ensemble des réservoirs terrestres contenant les gaz rares (atmosphère, croûte et manteau superficiel et profond) ont vu leurs compositions élémentaires et isotopiques se modifier également suite :
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au dégazage ;
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à la différentiation du manteau ;
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aux fuites (hélium) dans l'espace au niveau de la haute atmosphère ;
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à l'activité humaine depuis la révolution industrielle (apport dans l'atmosphère d'hélium radiogénique suite à l'exploitation des énergies fossiles (charbon, gaz, pétrole) et apport tritiogénique suite aux essais nucléaires dans l'atmosphère qui ont généré du 3He par décroissance de 3H).
La géochimie des gaz rares est devenue de nos jours un outil incontournable pour étudier le système solaire et en particulier la planète Terre. Pour cela, les compositions élémentaires et isotopiques des gaz rares peuvent être étudiées à partir d'un échantillonnage « d'objets », qu'ils soient :
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solides (roches et minéraux issus du manteau et de la croûte terrestre) ;
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liquides (eaux et fluides souterrains) ;
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gazeux (gaz atmosphériques, volcaniques, géothermaux, hydrocarbures gazeux).
Dans cet article, sont décrites les techniques d'extraction les plus utilisées dans les laboratoires de recherches qui permettent d'accéder aux gaz rares piégés dans les roches et les minéraux. La description des schémas et les aspects pratiques indiqués pour chacune des méthodes doivent permettre aux ingénieurs de développer en toute autonomie leur propre système d'extraction en adéquation avec leurs problèmes analytiques.
Le choix d'une méthode parmi d'autres peut parfois s'avérer difficile et doit être déterminé après mûres réflexions. Il est dicté généralement par le type d'échantillon (roche totale, minéraux séparés, lame mince ou épaisse), la phase analysée (matrice, inclusion fluide, granulométrie des minéraux) et les concentrations en gaz rares présents dans l'aliquot analysé. Deux autres articles complémentaires décrivent les méthodes de purification et de séparation des gaz rares ainsi que de leurs analyses par spectrométrie de masse en mode statique.
La composition chimique de notre atmosphère se compose de N2 (78 %), O2 (21 %) et de CO2 , gaz rares, O3 , H2 , H2O (1 %). Les gaz rares, dont les quantités sont constantes dans l'air, ont des abondances très différentes les unes par rapport aux autres. L'argon, le plus abondant (9 340 ppm volume) pourrait être considéré comme un gaz majeur de notre atmosphère alors que les autres y sont en très faibles concentrations avec 5,24 ppm volume, 18,18 ppm volume, 1,14 ppm volume et 0,09 ppm volume pour He, Ne Kr et Xe respectivement. Bien que paraissant négligeables (hormis Ar), ces quantités n'en demeurent pas moins une source de pollution importante pour l'analyse des gaz rares piégés dans les roches et imposent aux ingénieurs de développer des systèmes d'extraction travaillant à très basse pression, c'est-à-dire à 10–8 à 10–9 mbar (domaine de l'ultravide UHV) afin de réduire au maximum la quantité des gaz rares d'origine atmosphérique.
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KEYWORDS
laser | furnace | crushing
DOI (Digital Object Identifier)
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Résultats analytiques3. Extraction par ablation laser UV
L'ablation laser est un phénomène utilisant l'énergie des photons dont la longueur d'onde se situe dans l'ultraviolet (UV) (100 nm < λ < 400 nm) pour obtenir, par rupture des liaisons, l"ablation de la matière plutôt que sa fusion. Deux familles de laser existent dans cette plage de longueurs d"onde : les excimères (exited dimer ) où l"effet laser est obtenu avec les transitions énergétiques permises avec un dimère de gaz rares (Ar2 , Kr2 , Xe2), et les exciplexes, (excited complexe ), où le même phénomène est obtenu mais à partir d"un complexe composé d"un atome de gaz rare (Ne, Ar, Kr ou Xe) et d"un halogène (F, Cl, Br).
Bien que de plus en plus répandu dans les laboratoires de recherches, cette technique reste une opération complexe où un grand nombre de paramètres ont une incidence sur la qualité de l'ablation [E 6 455] :
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le choix de la longueur d'onde est important car tous les matériaux ne sont pas opaques à toutes les émissions lumineuses ;
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la durée des impulsions peut éventuellement induire un phénomène thermique à la périphérie de l'ablation ;
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la profondeur d'une ablation, pour un réglage donné (puissance, fréquence, etc.), est liée à la nature même du matériau irradié (métaux, minéraux, verres) ;
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la cadence de tir peut, suivant le temps de relaxation de l'énergie adsorbée dans le matériau, induire un phénomène thermique à la périphérie de la zone ablatée et modifier les profondeurs d'ablation (figure 19). Il a été ainsi observé une efficacité du processus d'ablation stable pour des valeurs de fréquence inférieures à 20 Hz. Au-delà, elle chute à 55 % pour la gamme 25 à 40 Hz puis seulement à 40 % jusqu'à 50 Hz.
Cette technique d'extraction est employée dans les laboratoires de recherches...
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Extraction par ablation laser UV
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MATSUMOTO (T.), HONDA (M.), McDOUGLALL (I.), O'REILLY (S.) - Noble gases in anhydrous lherzolites from the newer volcanics, southeastern Australia : A morb-like reservoir in the subcontinental mantle. - Geochimica and Cosmochimica Acta, 62, no 14, p. 2521-2533 (1998).
-
(2) - YOCHOKI (R.), MARTY (B.), PIK (R.), BURNARD (P.) - High 3He/4He ratios in peridotite xenoliths from SW Japan revisited : Evidence for cosmogenic 3He released by vacuum crushing. - Geochemistry Geophysics Geosystems, 6, p. 1-12 (2005).
-
(3) - YOCHOKI (R.) - L'azote, le néon et le xénon dans le manteau : source, processus et hétérogénéités. - thèse, 128 p. (2005).
-
(4) - SCARSI (P.) - Fractional extraction of helium by crushing of olivine and cllinopyroxene phenocrysts : effect on the 3He/4He measured ratio. - Geochimica and Cosmochimica Acta, 64, no 21, p. 3751-3762 (2000).
-
(5) - HARRISON (D.), BURNARD (P.), TURNER (G.) - Noble gas behaviour and composition in the mantle : Constraints from the iceland...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Fours électriques à résistances. Technologies de mise en oeuvre.
-
Techniques laser en analyse et caractérisation.
ANNEXES
Development In Noble Gas Understanding and Expertise (DINGUE). Workshop organisé chaque année en marge de la conférence GOLDSCHIMDT.
HAUT DE PAGE
« Pneurop » 6601 - 1981 - Éléments de raccordement à bride CF : les éléments sont en acier inoxydable 316 L [DIN 17 440 – WN 14 404) Z2CND17-12] et DIN 28 403 - -
ISO431 - Cuivre OFHC (Oxygen Free High Conductivity ): Cuivre élaboré suivant une méthode américaine. Son équivalent français est le cuivre Cu-c1 ou 2 - -
HAUT DE PAGE
ZIMMERMANN (L.), PIK (R.). – Four à haute température sous ultravide. [brevet FR 2973105(A1)] (2011).
ZIMMERMANN (L.). – Four et procédé d'extraction par diffusion de l'hélium présent dans des minéraux. [brevet no1 000185860]...
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