Traceurs isotopiques : sources et processus

Isotopic Tracers : Sources and Processes

¹ BRGM

Auteur de correspondance : am.fouillac@brgm.fr

Résumé

Des évolutions technologiques majeures ont eu lieu ces dernières années dans le domaine de la mesure isotopique. L'objectif de cet article est de montrer le potentiel de ces avancées appliquées aux sciences de la terre et de l'environnement. Il s'agit, d'une part, de la technologie des spectromètres de masse à flux continu, dont la fiabilité est maintenant acquise à des précisions semblables à celles des spectromètres de masse à source gazeuse et double introduction, mais sur des échantillons beaucoup plus petits et avec une productivité largement supérieure. D'autre part, cet article expose le développement des ICP-MS-MC (spectromètre de masse à multicollection et source à plasma induit). Ces instruments permettent de réaliser des mesures isotopiques dont la précision et la justesse rivalisent avec celles obtenues en TIMS (spectromètre de masse à thermoionisation), mais sur une panoplie d'éléments chimiques beaucoup plus large, à des concentrations très basses, et avec une rapidité bien supérieure (Cr, Zr, Mo, Cu, Zn, Fe, Mg, Cd, Li, B, Hf, Se, Pb). Ces avancées permettent un accès plus facile aux techniques isotopiques, en termes de productivité et donc de coût, en termes de taille d'échantillons, et enfin, d'investigation grâce à l'accès à de nouveaux systèmes isotopiques. Ceci favorise la mise en oeuvre d'études basées sur plusieurs traceurs isotopiques dont la complémentarité renforce la puissance. Ces nouvelles perspectives seront exposées au travers d'exemples pris dans le domaine de la géothermie, du stockage de déchets, de la migration de fluides et du transport aérien de matière particulaire en milieu urbain.

Abstract

Major technological advances have taken place in the past few years in the field of isotopic measurements. The goal of the present paper is to illustrate the potential unveiled by such advances in their application to geosciences and environmental issues. One significant improvement in analytical performance was brought by continuous flow mass spectrometry (CF-IRMS), a technology which demonstrated its capability to provide isotopic measurements at a level of accuracy comparable to conventional dual-inlet gas-source mass spectrometry. The advantage of CF-IRMS over conventional IRMS however consists in higher sensitivity and greater productivity. A second major analytical advance lies in the development of the multi-collection ICP-MS (MC-ICP-MS, multi-collection inductively coupled plasma mass spectrometer). This equipment permits to measure isotopic ratios of a wide variety of chemical elements, with a precision comparable, or better, than that of thermoionisation mass spectrometers. In addition, MC-ICP-MS offers great sensitivity, allowing isotopic measurements at extremely low concentration levels, high sample throughput, and provides access to elements that are notoriously difficult to analyze or cannot be analyzed by TIMS (Cr, Zr, Mo, Cu, Zn, Fe, Mg, Cd, Li, B, Hf, Se, Pb). Thank to these instrumental advances, investigators benefit from an easier and faster access to isotopic measurements, at significantly lower costs. The possibility to analyze samples of much smaller size, and elements which isotopic systems had not been explored yet, opens up new areas of research and favors the use of multi-isotope approaches in isotopic studies. Some of these new perspectives are illustrated through a few on-going studies carried out at BRGM , in the fields of geothermal energy, waste storage and fluid migration, and atmospheric particles in urban areas.