Transcript la-datation-de- e-la-region-de-guerara

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La datation de Sédiments éoliens par des techniques de
luminescence en vue de la reconstitution des cycles hydrologiques de
la Région de Guerrara
1
Imatoukene D. ,
3
Mokrani Z. , Abdelazziz F. Z. , Bellal A. , Messen N. , Hamdi-Aïssa B. &
Djili B.3
1
1
1
2
Résumé
La reconstitution des cycles hydrologiques passés (humidité/sécheresse) est l’une des
principales méthodes permettant l’étude des changements climatiques durant de longues
périodes du Quaternaire. Cela nécessite l’utilisation de méthodes appropriées à la datation
de ces évènements.
Dans cette communication nous présenterons les résultats de la datation par la technique
de luminescence obtenus sur des échantillons de sédiments éoliens. Ces derniers sont
prélevés sur le lit de l’Oued Zègrir dans la région de Guerrara sur une profondeur
d’environ 13 m. Dix échantillons ont été testés après un traitement chimique de
purification du quartz contenu dans ces échantillons et des analyses ont été faites sur ces
échantillons afin de déterminer la concentration en radio-isotopes naturels (Uranium,
Thorium, Potassium).
1. Introduction
La reconstitution de l’environnement et du climat du Quaternaire nécessite
l’utilisation de méthodes appropriées à la datation des évènements liés à cette
ère géologique.
Cette datation se fait principalement par des techniques de luminescence.
Dans cette étude, nous présentons les résultats d’une datation par la TL
réalisée sur des échantillons prélevés dans un puit d’environ 12 m constitués de
sédiments éoliens et alluviaux.
2. Principe de datation par des techniques de luminescence
La datation par thermoluminescence est basée sur le phénomène
d’accumulation en fonction du temps des électrons et trous dans les
pièges formés au sein des défauts du cristal minéral (vacance, inclusion,
dislocation). Ces électrons et trous sont engendrés par l’absorption de
l’énergie (ionisation) des rayonnements issus des éléments radioactifs
entourant l’échantillon (Uranium, Thorium, Potassium, Rayons
cosmiques).
1
Laboratoire de Dosimétrie, Centre de Recherche Nucléaire d’Alger: BP 399 Alger Gare, Algeria.
(E-Mail : [email protected]).
2
Centre de Recherche Scientifique et Technique dans les Région Arides: BP 1482 Biskra 07000,
Algeria.
3
Département des Sciences Agronomiques, Université de Ouargla: BP 511 Ouargla 30000,
Algeria.
193
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Figure 1 : Origine de la dose naturelle
Ainsi, le nombre d’électrons et de trous piégés est proportionnel au
taux d’accumulation de ces charges au cours du temps. La stimulation
thermique ou optique des pièges permet de dépièger ces électrons et
trous, ce qui engendre un signal luminescent proportionnel aux charges
dépiégées (luminescence stimulée thermiquement (TL), luminescence
stimulée optiquement (OSL).
Le signal obtenu par stimulation est exploité en terme d’équivalent
de dose DE appelé aussi « paléo-dose ».
S ig n a l
G é o lo g iq u e
Intensité du signal
E ffa c e m e n t d u
S ig n a l
A u g m e n ta tio n d u
S ig n a l c a u s é e p a r le
rayonnem ent
n a tu r e l
T em ps
t= 0
Figure 2 : Réinitialisation et phénomène d'accumulation de dose
Le taux d’accumulation ou de piégeage de ces charges est exprimé en
débit de dose annuel DR ; ce dernier est évalué séparément par des
analyses sur des échantillons à dater.
T
D
E
³
D
R
t ˜
dt
(1)
0
Où :
DE équivalent de dose accumulé durant la période T (paléo-dose) ;
DR débit de dose annuel.
194
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Pour un débit de dose annuelle constant sur toute la période T, l’âge
(la période T) est exprimé :
(2)
Age année DE DR
La luminescence stimulée thermiquement est la technique la mieux
appropriée pour la datation des échantillons ayant subi un chauffage
(roche volcanique, roche magmatique, Tephra…). Elle est très utilisée en
archéologie et peut être étendue à la datation des sédiments enfouis (dune,
sol enfoui, vase, sable, pierre, …) par l’adaptation d’un protocole
approprié pour ce type d’échantillons. Alors que pour la luminescence
stimulée optiquement, elle est plus appropriée à la datation d'échantillons
ayant subis un effacement du signal par effet d'ensoleillement comme par
exemple les sédiments enfouis.
Ces deux techniques nécessitent emploies de protocoles similaires
comportant trois étapes.
2.1) Prélèvement et traitement des échantillons
Une fois le site choisi, il est très important d'effectuer les prélèvements
à l'abri de la lumière et de mesurer in situ, par des moyens appropriés les
coordonnées géographiques (latitude, longitude, altitude, profondeur), le
taux d'humidité et la concentration des radio-isotopes naturels dans
chaque point de prélèvements. Le traitement chimique permettant la
séparation des minéraux à dater doit se faire dans une enceinte en lumière
inactinique.
2.2) Détermination du débit de dose naturel
Le débit de dose naturel est déduit à partir des concentrations en radio isotopes naturels qui peuvent être mesurées par plusieurs techniques :
| Spectrométrie Gamma (in situ ou en laboratoire).
| Analyse par fluorescence X.
| Analyse par activation neutronique.
| Dosimétrie par TLD (Thermo Luminescence Detector).
Ces concentrations seront converties en débits de dose en utilisant des
facteurs de conversion tabulés. De plus il faut estimer la contribution des
rayonnements cosmiques à partir des coordonnées géographiques.
2.3) Détermination de la dose naturelle
Deux étapes sont nécessaires pour l’estimation de la dose naturelle :
| la détermination des pièges stables sur toute la période à dater ;
| l'emploi l'une des techniques d'évaluation de dose [dose additive (1),
dose additive avec un "bleaching" total (3), dose régénérative (4)].
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3. Datation de sédiments éoliens de Dayet El Amied (Guerrara)
3.1) Description du site et méthode de prélèvement et de traitement
Les éléments à dater ont été prélevés dans la zone de Dayet El
Amied, à cet effet, trois fosses de 3 m et un puit de 12.30 m de
profondeur ont été creusées. Les cordonnées géographiques de ces
fosses sont de 300 m d’altitude, 4°30' de longitude et de 32°40' de
latitude. Lors des prélèvements, en utilisant un spectromètre gamma
portable type Exploranium GR-320, des mesures de la concentration de
la radioactivité ont été effectuées à chaque point. De plus les détecteurs
thermoluminescents type TLD-100, GR-200 et Al2O3 : C, enfuis pendant
plusieurs mois, ont été employés pour le contrôle du débit de dose
cosmique et du gamma ambiant (voir table 1).
Table 1 : Données Géographiques des prélèvements
Echantillon
Profondeur (cm)
AIS1B
AIS2A
AIS2B
AIS3
70
125
195
245
AZS1
AZS2
AZS3
AZS4
AZS5
20
110
187
260
305
AGS1
AGS2
AGS3
AGS4P
AGS5
AGS6
AGS7
AGS8
AGS9L8
AGS10
95
194
356
387
437
487
535
760
860
1060
Altitude (m)
Longitude
Profil AI
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
Profil AZ
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
Profil AG
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
300
4°30'
Latitude
(%)
d'humidité
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
2
1
2
2
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
4
6
5
7
4
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
32°45'
2
1.6
1.6
15
5.6
10.2
4.4
8.4
10.8
4.4
Pour l’extraction du quartz, élément utilisé pour la datation, chaque
échantillon prélevé est séché puis tamisé entre 80 et 160 m, puis traité
chimiquement au peroxyde H2O2, à l’acide chlorhydrique (HCl) pendant
une durée de 45 mn ensuite séché et passé à la séparation gravimétrique en
utilisant du Bromoforme mélangé avec l'Acétone dont la densité est fixée à
2.56. L’élément correspondant à la densité du quartz est attaqué à l’acide
fluorhydrique (HF) concentré, séché puis purifié à l’acide chlorhydrique
dilué. L'échantillon obtenu est prêt pour des analyses de
thermoluminescence.
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3.2) Détermination du débit de dose naturel
Le débit de dose annuel a été estimé en utilisant trois méthodes: les
deux premières méthodes consistent à déterminer les concentrations en
ppm des radio-isotopes naturels par des mesures in situ, en utilisant un
spectromètre gamma portable de type Exploranium GR-320 et par
activation neutronique effectuée au Centre de Recherche Nucléaire de
Birine. Ces concentrations sont ensuite transformées en débit de dose
naturel en utilisant les facteurs tabulés présentés par Adamiec & Aitken
[2]. La dernière méthode est l'utilisation de détecteurs
thermoluminescents enfouis dans le sol à la position exacte des
prélèvements et ce, pendant plusieurs mois. Le rayonnement cosmique est
calculé selon les formules données par Prescott & Hutton [8].
Figure 3 : Variation du débit de dose naturelle
en fonction de la technique utilisée
197
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Il est à constater que les débits de dose mesurés par l’analyse par
activation neutronique et par spectrométrie gamma in situ présentent un
écart assez important qui peut varier du simple au triple. Les valeurs de
l’activation neutronique sont prises pour la mesure des débits de dose
car elles sont proches de ceux mesurées par les détecteurs
thermoluminescents.
Table 2 : Débit de dose calculé
à partir de l'Analyse par activation neutronique et TL
Echantillon
Concentration
(Activation
neutronique)
U
Th
K
(ppm) (ppm) (%)
AIS1B
AIS2A
AIS2B
AIS3
1.06
0.54
0.73
0.72
2.93
1.65
2.84
2.37
0.62
0.49
0.58
0.52
AZS1
AZS2
AZS3
AZS4
AZS5
0.33
0.55
0.45
0.39
0.42
1.71
1.87
2.05
2.05
1.88
0.35
0.26
0.40
0.42
0.29
AGS1
AGS2
AGS3
AGS4P
AGS5
AGS6
AGS7
AGS8
AGS9L8
AGS10
0.53
0.72
0.74
3.60
3.90
1.90
0.9
1.06
0.76
1.36
1.41
1.46
3.30
4.80
2.10
3.6
4.90
3.40
0.45
0.75
0.66
0.36
0.76
0.98
0.73
|
|
|
Débit de Dose (Gy/ka)
Rayonnement
(CosmiqueJ)
Profile AI
0.62
0.45
0.53
0.48
Profile AZ
Profile AG
0.44
0.96
-
Cosmique
Total
0.21
0.19
0.17
0.16
1.36r0.04
0.90r0.04
1.20r0.04
1.09r0.04
0.26
0.19
0.17
0.16
0.15
0.87r 0.04
0.79r0.04
0.89r0.03
0.88r0.03
0.74r0.03
0.20
0.17
0.14
0.14
0.13
0.12
0.12
0.09
0.08
0.07
0.93r 0.04
2.07r 0.04
2.15r 0.04
1.16r 0.04
1.38r 0.04
1.72r 0.04
1.29r 0.04
Total
(TL)*
(Gy/ka)
0.64 r 0.10
0.67 r 0.19
0.66 r 0.17
0.68 r 0.19
0.58 r 0.04
0.88 r 0.03
-
Les résultats obtenus montrent que :
les débits de dose naturelle dus aux rayonnements gamma et cosmiques
peuvent être évalué d'une manière précise par des détecteurs
thermoluminescents placés durant plusieurs mois dans le lieu de
prélèvement des échantillons (conditions réelles de mesure) ;
les débits de dose naturelle dus au rayonnement bêta sont mieux évalués
par la technique de l'activation neutronique avec correction due à
l'humidité ;
le contrôle du déséquilibre radioactif dans les chaînes de U-235 et U-238
est important pour se prononcer sur le degré de validité des débits de
dose mesurés.
198
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3.3) Evaluation de la dose naturelle accumulée
Avant d'effectuer les lectures au moyen d'un lecteur TL Type
Harshaw 4000, les quantités d'échantillons ont été normalisées à 30 r 3
mg. Un traitement thermique de l'échantillon est nécessaire pour
éliminer les pièges instables. Les échantillons ont été triés en cinq
groupes selon les traitements subis :
Groupe I : aucun traitement (dose Naturelle DN).
Groupe II : exposition au soleil pendant 32 heures [zéro D0(N)].
Groupe III : irradiation à des doses gamma (DN+DJ).
Groupe IV : irradiation à des doses gamma suivie de l'exposition au
soleil pendant 32 heures [D0 (N+J)].
Groupe V : exposition au soleil suivie d'une irradiation à des doses
gamma (D0(N) + DJ).
Les irradiations aux rayonnements gamma ont été effectuées au
laboratoire d'étalonnage avec une source de Co-60, ayant un débit de
kerma à l'air libre à 1 m de 1.35 Gy/min.
L'évaluation de la dose absorbée des échantillons par la méthode dite
de la dose additive s'effectue par l'extrapolation de la relation dose
additive gamma & signal TL à la valeur où cette courbe coupe l'axe des
doses additives gamma. Les points de cette courbe sont obtenus en
utilisant les échantillons du groupe III. De même, pour la méthode de la
dose additive avec un "bleaching total" l'extrapolation se fait cette foisci non pas sur l'axe dose additive gamma, mais sur la courbe
représentant l'extrapolation des valeurs du groupe IV. Enfin, l'estimation
des doses naturelles par la méthode régénérative est réalisée par
l'interpolation du signal TL naturelle sur la courbe représentant la dose
gamma en fonction du signal TL obtenu des lectures du groupe V. Les
résultats obtenus précédemment, pour les profils AI et AZ [5, 6, 7], ont
été corrigés suite à l’utilisation de technique d’activation pour la
détermination du débit de dose naturel.
1600
Dn+Dg
(a)
Intensité(U
A
)
1200
800
400
Dn(DA)
0
-10
-5
0
5
10
15
20
Dose a dditive (Gy)
199
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1600
D0(N+g)
(b)
Dn+Dg
Intensité (UA)
1200
800
400
Dn(TB)
0
-10
-5
0
5
10
15
20
Dose additive (Gy)
1200
D0(N) + G
Intensité (UA)
(c)
800
400
Dn(R)
0
0
5
10
15
20
Dose régénérative (Gy)
Figure 4 : Méthodes de détermination de la dose naturelle appliquées à
l'échantillon S1B : (a) méthode Additive, (b) méthode additive avec un Total
"Bleaching", (c) méthode Régénérative
AG-S5
Charge (nC)
Dose Naturelle + 10Gy = 17.19 Gy r 0.70
20 Gy
Naturelle +10 Gy
15 Gy
10 Gy
6 Gy
Naturellle
3 Gy
1 Gy
O Gy
300
350
400
Température (°C)
-3
2
7
Dose Naturelle = 6.95 Gy r 12
17
22
Dose (Gy)
Figure 5 : Méthodes de détermination de la dose naturelle appliquées à
l'échantillon S5 pour le profil AG (méthode Régénérative)
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Table 3 : Estimation de la période d'enfouissement des sédiments
Echantillon
Intervalle de
Température
(°C)
Dose Naturelle
(paleodose) (Gy)
Total
Regenerative
(R)
Bleaching
Débit de
dose
(Gy/ka)
Age (TB)
Age (R)
(ka)
(ka)
(TB)
Profil AI
AIS1B
AIS2A
AIS2B
AIS3
320-350
315-360
325-355
320-360
2.93 r 0.17
2.25 r 0.13
1.33 r 0.06
3.10 r 0.12
AZS1
AZS2
AZS3
AZS4
AZS5
325-355
310-355
320-360
315-355
320-355
0.41 r 0.09
1.12 r 0.14
2.31 r 0.32
2.56 r 0.40
3.13 r 0.43
AGS1
AGS2
AGS3
AGS4P
AGS5
AGS6
AGS7
AGS8
AGS9L8
AGS10
295-400
295-400
295-400
295-400
-
3.56 r 0.17
1.24 r 0.06
1.23r 0.06
3.25 r 0.19
1.36r0.04
0.9r0.04
1.20r0.04
1.09r0.04
2.15r 0.17
2.50r 0.42
1.11r 0.08
2.84r 0.20
1.51 r 0.24
1.37 r 0.10
1.03 r 0.07
2.98 r 0.24
0.87r 0.04
0.79r0.04
0.89r0.03
0.88r0.03
0.74r0.03
0.47r 0.06
1.37r 0.20
2.59r 0.40
2.91r 0.50
4.23r 0.63
0.62r 0.19
1.68r 0.21
2.08r 0.19
3.27r 0.49
2.92r 0.41
0.93r 0.04
2.07r 0.04
2.15r 0.04
1.16r 0.04
1.38r 0.04
1.72r 0.04
1.29r 0.12
-
3.48r 0.24
4.40r 0.31
7.48r 0.74
36.67r
2.57
Profil AZ
0.54 r 0.16
1.33 r 0.21
1.85 r 0.12
2.88 r 0.20
2.16 r 0.28
Profil AG
7.19r 0.50
9.47r 0.44
8.68r 0.76
47.03r 1.97
Il est à noter que pour le profil AI a servi pour tester la méthodologie
pour les premières datations, alors que le profil AZ donne un résultat
semblable pour les deux méthodes utilisées, considérant l’intervalle des
incertitudes (total bleaching regenerative).
Les résultats du profil AG ont été obtenus uniquement en utilisant la
méthode régénérative.
Le signal naturel a été remis à zéro en utilisant une lampe simulant
l’illumination solaire (SOL-2, Holne Uv-Technology) avec une durée de
45 heures.
Ces résultats sont en bon accord avec l’ordre stratigraphique.
Cependant le résultat de la couche AG-S10 présente un fort signal
résiduel.
Ainsi la période d’enfouissement de ce sédiment est largement
surestimée à cause probablement de la non remise à zéro du son signal
lors de son enfouissement (dune fossile, dépôt rapide).
201
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4. Conclusion
Malgré certaines contraintes liées à l’utilisation de la technique de datation
par thermoluminescence (nouvelle technique en Algérie), les résultats obtenus
pour le profil AG montrent que la thermoluminescence est la seule technique
permettant de dater les échantillons pauvres en matières organiques (sable,
sédiment éolien, dune).
Sauf pour la valeur trouvée pour l’horizon AGS10, l’ensemble des résultats
dénote une bonne corrélation avec l’ordre stratigraphique relevé sur le terrain
(datation relative).
Bibliographie
Aitken M., (1985) : “Thermoluminescence Dating”. Academic Press, London.
Adamiec G. & Aitken M., (1998) : “Dose-rate conversion factors :Update”.
Ancient TL 16 pp 37-49.
Berger G.W., (1990) : “Effectiveness of natural zeroing of the thermoluminescence
in sediments”. J. Geoph. Res. 95 pp 12375-12397.
Debenham N.C., (1985) : “Use UV emissions in TL dating of sediments”. Nucl.
Tracks Radiat. Meas. 10 pp 717-724.
Imatoukene D., Mebhah D., Mokrani Z., Abdelaziz F.Z., Brahimi H.,
Badreddine A. & Bellal A., (2004) : « Application de la technique de
thermoluminescence à la datation d’un sédiment ». Congrès National de la
Physique et ses Applications UMM, Tizi Ouzou.
Imatoukene D., Mokrani Z. & Abdelaziz F.Z., (2006) : « Application des
techniques de luminescence à la datation des dépôts sédimentaires ». 1er Séminaire
international des géosciences au service du développement durable. Tébessa 26-28
novembre.
Imatoukene D., Mebhah D., Abdelazziz F.Z., Bella N., Badreddine A.,
Brahimi H., Messen N., Gaouar A., Hamdi-Aïssa B., Hacini M., Djilli B. &
Mokrani Z., (2005) : “Thermoluminescence dating of a paleosol sediment in the
North Sahara Region”. 11th conference « Luminescence and Electron spin
resonance Dating » Cologne.
Prescott J.R. & Hutton J.T., (1994) : “Cosmic ray contribution to dose rates for
luminescence and ESR dating : Large depths and long-term time variations”. Vol.
23 N° 2/3 pp 497-500.
202