Mots clés : ablation laser, trace de fusion, analyse chimique, composition isotopique, élément trace, spectrométrie de masse

Cavité d'ablation laser

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire des Sciences de la Terre

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

06/12/2004

Résumé

Analyse chimique, ablation laser et microscopie.



Analyser une roche avec la plus grande précision, tant chimique qu'isotopique, est un souci majeur de la géologie. La précision recherchée concerne à la fois les proportions d'éléments ou d'isotopes, et la localisation du point d'analyse. En effet, à l'intérieur d'une même roche ou d'un même cristal d'une roche, la composition chimique ou isotopique peut considérablement varier. Connaître avec une grande précision la composition chimique d'une plage minérale de quelques microns de diamètre et la comparer avec une autre plage du même minéral est un impératif géologique. Cet impératif est d'autant plus important quand on dispose d'échantillons rarissimes (météorite de Mars, par exemple), ou que l'on veut faire de la radiochronologie ultra-fine des météorites (à quelques millions d'années près) pour connaître l'histoire précoce du système solaire, la différence d'age entre un chondre et sa matrice… Bref, analyser chimiquement et isotopiquement une plage de quelques microns de diamètre est un impératif pour connaître l'origine du monde.

Pour les analyses isotopiques « géométriquement » aussi précises, deux techniques sont en concurrence : la sonde ionique, et l'ablation laser dont nous allons parler ce jour.

Pour faire une analyse isotopique, il faut vaporiser/ioniser un micro-fragment du minéral à analyser. Un puissant mais très fin faisceau laser, positionné au microscope, pourrait faire l'affaire en vaporisant la cible. La photographie 1 montre le résultat d'une telle vaporisation, à la surface d'une lame, trou de 40 micron de diamètre. L'observation au microscope électronique à balayage (MEB) de la cavité d'ablation (Photographie 1) montre (sur les bord de la cavité) des traces de cette fusion, qui se manifeste par des lèvres festonnées entourant la cavité. Mais cette méthode avec fusion entraîne un biais, la vaporisation, forcement partielle, de la cible fractionnant les isotopes. Cette méthode n'est donc pas utilisée.

On utilise donc une deuxième méthode : le faisceau laser envoyé sur la cible n'est pas assez puissant pour fondre la roche, mais ultra bref, et assez puissant pour la réchauffer de quelques centaines de degrés pendant quelques fractions de secondes ; l'opération peut être répétée par une succession de brèves impulsions laser. La surface du minéral (directement exposée au faisceau laser) qui subit ces chocs thermiques se fractionne en une multitude de micro-grains, qu'un flux de gaz inerte (Hélium, Argon …) « balaye ». Il ne reste donc qu'une cavité à bords nets ; un examen au MEB (photographie 2) montre les bords nets, sans trace de fusion. Un examen détaillé montre même cinq « marches d'escalier » visibles sur la droite de la cavité, traces des cinq impulsions laser données par l'expérimentateur. Contrairement à la cavité de la photographie 1 (qui révèle de la fusion), cette analyse, sans fusion, n'aura pas entraîné de fractionnement isotopique et sera donc utilisable. Si l'examen au MEB avait révélé des traces de fusion, l'analyse aurait été rejetée.

Les micro-grains de la cible, entraînés par le flux de gaz inerte, arriveront jusqu'à une torche à plasma, qui les vaporisera et ionisera complètement ; les ions seront ensuite analysés « classiquement » au spectromètre de masse.

Figure 2. Cavité d'ablation laser à bord net, ne présentant pas de trace de fusion

Cavité d'ablation laser à bord net, ne présentant pas de trace de fusion

Observation au microscope électronique à balayage.


Mots clés : ablation laser, trace de fusion, analyse chimique, composition isotopique, élément trace, spectrométrie de masse