Méthodes d’extraction sous UHV des gaz rares piégés dans les inclusions fluides

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), $\mathit{Ne}$ (néon), $\mathit{Ar}$ (argon), $\mathit{Kr}$ (krypton) et $\mathit{Xe}$ (xénon). Leurs couches électroniques externes saturées, à deux électrons pour He et à huit pour $\mathit{Ne}$ , $\mathit{Ar}$ , $\mathit{Kr}$ et $\mathit{Xe}$ leur confèrent une caractéristique physique particulière, à savoir une inertie chimique vis-à-vis des autres éléments et sont, de ce fait, considérés en géosciences comme d’excellents traceurs géochimiques. Chaque gaz rare possède plusieurs isotopes : 2 pour l’hélium $\left({}^{3\text{-}4}He\right)$ , 3 pour le néon $\left({}^{20\text{-}21\text{-}22}Ne\right)$ et l’argon $\left({}^{36\text{-}38\text{-}40}Ar\right)$ , 6 pour le krypton $\left({}^{78\text{-}80\text{-}82\text{-}83\text{-}84\text{-}86}Kr\right)$ et enfin 9 pour le xénon $\left({}^{124\text{-}126\text{-}128\text{-}129\text{-}130\text{-}131\text{-}132\text{-}134\text{-}136}Xe\right)$ . Leurs compositions isotopiques, notamment sur Terre, n’ont cessé d’évoluer depuis l’accrétion de celle-ci, il y a 4,56 milliards d’années, par des réactions nucléaires, qu’elles soient de nature i) radiogénique (e.g., production ${}^{4}He$ par désintégration radioactive de type α des isotopes parents ${}^{238}U$ , ${}^{235}U$ et ${}^{232}Th$  ; décroissance du radioisotope ${}^{40}K$ en ${}^{40}Ar$ par capture électronique , ii) nucléogénique (e.g., production de ${}^{21}Ne$ dans la croûte liée à des réactions nucléaires de type $\left(\alpha ,\mathrm{\hspace{0.33em}}n\right)$ et $\left(n,\mathrm{\hspace{0.33em}}\alpha \right)$ sur les noyaux ${}^{18}O$ et ${}^{24}Mg$ ) ou encore, iii) cosmogénique (e.g., production ${}^{3}He$ , ${}^{20\text{-}21\text{-}22}Ne$ à partir d’atomes cibles (e.g., O, Mg, Si, Mg, Al…) grâce à des réactions de spallation produites par le rayonnement cosmique ). D’autre part, tous les réservoirs terrestres dans lesquels sont piégés les gaz rares (i.e., l’atmosphère, la croûte et le manteau) ont vu leur composition élémentaire et isotopique se modifier également sous l’effet i) du dégazage, ii) de la différenciation du manteau, iii) des fuites (hélium) dans l’espace via la haute atmosphère et, iv) de l’activité humaine depuis la révolution industrielle (e.g., apport d’hélium radiogénique $\left({}^{4}He\right)$ dans l’atmosphère en raison de l’exploitation des énergies fossiles (charbon, gaz, pétrole) et apport tritiogénique dû aux essais nucléaires dans l’atmosphère qui ont généré de ${}^{3}He$ par décroissance de ${}^{3}H$ ). Aujourd’hui, la composition en gaz rares du réservoir atmosphérique, tant en termes d’abondances élémentaires que de compositions isotopiques est bien connue et documentée . Elle résulte d’un mélange de gaz primordiaux et radiogéniques issus du dégazage de la croûte et du manteau supérieur, de la contribution d’une activité anthropique et d’une perte d’hélium observée au niveau des pôles. La croûte, bien qu’hétérogène en radioéléments, est enrichie en éléments incompatibles (e.g., U, Th, K) aux dépens d’un manteau plus appauvri. Elle est globalement plus enrichie en ${}^{4}He$ et ${}^{40}Ar$ radiogéniques ainsi qu’en ${}^{21}Ne$ nucléogénique, par rapport à l’atmosphère. Enfin, la composition isotopique en gaz rares du manteau varie selon l’origine des roches étudiées (e.g., MORB et OIB). Les rapports isotopiques de l’hélium, notés $R\mathrm{/}\mathit{Ra}$ , où $R\mathrm{\hspace{0.33em}}={\mathrm{\hspace{0.33em}}}^3\mathit{He}{\mathrm{/}}^4\mathit{He}$ mesuré dans l’échantillon et $Ra\mathrm{\hspace{0.33em}}={\mathrm{\hspace{0.33em}}}^3\mathit{He}{\mathrm{/}}^4\mathit{He}$ atmosphérique = (1,343 ± 0,013) x 10⁻⁶ , sont de 8 ± 1 dans les MORB et plus élevés dans les OIB (e.g., $R\mathrm{/}\mathit{Ra}=\mathrm{12,5}\pm \mathrm{0,5}$  ; île de la Réunion , $R\mathrm{/}\mathit{Ra}=\mathrm{16,4}\pm \mathrm{0,7}$  ; parc de Yellowstone ), ce qui suggère que les MORB seraient le reflet du manteau supérieur partiellement dégazé tandis que les OIB proviendraient du manteau inférieur peu (ou moins) dégazé.

De nos jours, la géochimie des gaz rares est devenue un outil incontournable pour étudier le système solaire et, en particulier, la planète Terre. À cette fin, les compositions élémentaires et isotopiques des gaz rares sont étudiées à partir d’un échantillonnage « d’objets », qu’ils soient : i) solides (roches et minéraux issus du manteau et de la croûte terrestre), ii) liquides (eaux et fluides géothermaux) ou, iii) gazeux (gaz atmosphériques, volcaniques, géothermaux, hydrocarbures gazeux).

Dans cet article, les auteurs décrivent les techniques d’extraction les plus couramment utilisées dans les laboratoires de recherche, qui permettent d’extraire les gaz rares piégés dans les inclusions fluides de manière, in fine, à mesurer par spectrométrie de masse leurs concentrations ainsi que leurs compositions isotopiques. La description des schémas et des aspects pratiques liés à chaque méthode doit permettre aux ingénieurs de développer en toute autonomie leur propre système d’extraction en adéquation avec leurs projets de recherche et les défis analytiques qui y sont souvent associés.

Le choix d’une méthode d’extraction peut parfois s’avérer difficile et doit être mûrement réfléchi. Il sera généralement dicté par le type d’échantillon (par exemple roche totale, minéraux séparés, lame mince ou épaisse), la phase analysée (e.g., taille et nombre des inclusions fluides, granulométrie et dureté des minéraux) et la concentration en gaz rares présente dans l’aliquote analysée.

À noter que, parallèlement à cet article (2^e version de l’article [J 6 632]), quatre autres articles ont été publiés afin de décrire les méthodes de purification et de séparation des gaz rares [J 6 634], [J 6 635] ainsi que leurs analyses par spectrométrie de masse en mode statique [J 6 636], [J 6 637].