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1 - ACQUISITION DES MESURES

2 - TRAITEMENT DES DONNÉES

3 - APPLICATIONS

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : J6637 v1

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

Auteur(s) : Laurent ZIMMERMANN, David BEKAERT

Date de publication : 10 déc. 2020

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RÉSUMÉ

Cet article présente les modes d'acquisition des signaux des gaz rares en mono- et multi-collection en s'appuyant sur les configurations des spectromètres de masse de dernière génération. Un traitement des données brutes, associé à des corrections d'interférences isobariques, est expliqué pour être en mesure de calculer la concentration et la composition isotopique d'un gaz rare dans un échantillon. Plusieurs applications s'appuyant sur la mesure des compositions élémentaires et isotopiques des gaz rares sont données à titre d'exemples.

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ABSTRACT

Noble gases analysis by static mass spectrometry .Measurements and applications

This article presents the modes of acquisition of noble gas signals in mono- and multi-collection based on the configurations of the latest generation of mass spectrometers. A treatment of the raw data, associated with isobaric interference corrections, is explained to enable calculating a noble gas concentration and isotopic composition in a sample. Several applications based on the measurement of elemental and isotopic compositions of noble gases are given as examples.

Auteur(s)

  • Laurent ZIMMERMANN : Ingénieur d'études - CNRS - Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, Vandœuvre lès Nancy, France

  • David BEKAERT : Post-doctorant - Marine Chemistry and Geochemistry Department - Woods Hole Oceanographic Institution - Woods Hole, MA, 02543, États-Unis

INTRODUCTION

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.

Principaux sigles

UHV : Ultra High Vacuum (ultravide)

FC : Faraday Cup (cage de Faraday)

CDD : Compact Discrete Dynode (multiplicateur d'électrons à dynodes discrètes)

CFM : Combined Faraday/ion counting CDD Multiplier (détecteur muni à la fois d'une cage de Faraday et d'un multiplicateur d'électrons CDD)

MRP : Mass Resolving Power (puissance de résolution de masse)

MORB : Mid Ocean Ridge Basalt (basalte des dorsales médio-océaniques)

OBI : Oceanic Island Basalt (basalte des îles volcaniques)

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KEYWORDS

dynamic mass spectrometry   |   monocollection   |   multicollection   |   isobaric interference   |   isotopic measurements

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j6637


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3. Applications

Notre planète est un système dynamique, animé de flux de matière et de chaleur entre sa surface et son intérieur. Au travers du volcanisme, des gaz primordiaux, retenus dans les profondeurs de la Terre depuis sa formation, sont continuellement transférés vers l'atmosphère. De plus, certains éléments volatils présents à la surface de la Terre sont recyclés dans le manteau terrestre par subduction de croûte océanique hydratée . Cet équilibre entre « dégazage » et « regazage » de la Terre a contrôlé l'établissement de l'atmosphère et une partie de son évolution au cours des temps géologiques. L'étude comparative de la composition des gaz rares présents dans l'atmosphère et de ceux provenant des différents réservoirs du manteau terrestre permet ainsi d'apporter des contraintes sur l'établissement de l'atmosphère terrestre.

Les isotopes des gaz rares peuvent être groupés en deux grandes catégories :

  • les isotopes dits primordiaux, qui ne sont pas produits par des réactions nucléaires de façon significative au cours des temps géologiques et vont donc pouvoir être utilisés pour le traçage de source ;

  • les isotopes secondaires, ayant été/étant produits par des processus de décroissance radioactive, de fission, ou encore des réactions de spallation (isotopes cosmogéniques).

Alors que le budget total des isotopes primordiaux sur Terre a été acquis au moment de la formation de notre planète, les isotopes secondaires sont continuellement produits dans les différents réservoirs géologiques.

Historiquement, les premières identifications de gaz primordiaux dans la Terre solide ont été réalisées par l'étude des gaz rares légers (hélium, néon) dans les gaz volcaniques de points chauds tels que le volcan Kilauea à Hawai ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MARK (D.F.), BARFOD (D.), STUART (F.M.), IMLACH (J.) -   The ARGUS multicollector noble gas mass spectrometer : Performance for 40Ar/39Ar geochronology.  -  Geochemistry Geophysics Geosystems, 10, p. 1-9 (2009).

  • (2) - BAJO (K.), SUMINO (H.), TOYODA (M.), OKAZAKI (R.), OSAWA (T.), ISHIHARA (M.), KATAKUSE (I.), NOTSU (K.), IGARASHI (G.), NAGAO (K.) -   Construction of a newly designed small-size mass spectrometer for helium isotope analysis : Toward the continuous monitoring of 3He/4He ratios in natural fluids.  -  Mass spectrometry, 1, p. 1-10 (2012).

  • (3) - SAXTON (J.M.) -   The 21Ne/20Ne ratio of atmospheric neon.  -  Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 35, p. 943-952 (2020).

  • (4) - MABRY (J.), BURNARD (P.), BLARD (P.H.), ZIMMERMANN (L.) -   Mapping changes in helium sensitivity and peak shape for varying parameters of a Nier-type noble gas ion source.  -  Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 27, p. 1012-1017 (2012).

  • (5) - SANO (Y.), WAKITA (H.), WAKINO (K.), MURATA (M.), YAMAMOTO (H.), MATSUDA (H.) -   Helium...

1 Événements – Conférences

DINGUE (Development In Noble Gas Understanding and Expertise)

Goldsmith

AGU (American Geophysical Union)

EGU (European Geosciences Union)

The Meteoritical Society

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

HAUT DE PAGE

2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Thermo Fisher Scientific

https://www.thermoscientific.com

Hanna-Kunath-Straße 11

28199 Bremen

Allemagne

Cameca

https://www.cameca.com

29 Quai des Grésillons

92622 GENNEVILLIERS Cedex

France

Isotopx Limited

https://www.isotopx.com

Millbrook court

Midpoint 18

Middlewich

Cheshire

CW10 0GE

United Kingdom

Hamamatsu Photonics France

https://www.hamamatsu.com

19, rue du saule trapu

Parc du moulin de Massy

91300 MASSY

France

ETP...

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