Aperçu de la géochimie du strontium (Sr)
L’élément strontium a quatre isotopes naturels: 84Sr, 86Sr, 87Sr, et 88Sr. Seul l’élément 87Sr est radiogénique – produit par la désintégration β de 87Rb avec une demi-vie de 48,8 milliards d’années. L’isotope le plus abondant du strontium est 88Sr, qui représente environ 83 % du strontium naturel ; suivi par 10% de 86Sr, 7% de 87Sr et <1% de 84Sr. Dans les études géologiques et environnementales, le rapport de 87Sr/86Sr est généralement utilisé en raison de leurs abondances similaires – 7 % et 10 %, respectivement.
Les quatre espèces d’isotopes du strontium. Le rapport 87Sr/86Sr est couramment utilisé dans les études géochimiques
Le strontium est un oligo-élément omniprésent présent dans les roches, le sol, les eaux, les plantes et les animaux. Le rapport87Sr/86Sr ratio dépend de l’origine géochimique, de la concentration en Rb et de l’âge de la roche mère. En raison de la masse élevée de Sr, le rapport est essentiellement inchangé à mesure que la roche s’altère et se déplace dans le cycle de l’eau et la chaîne alimentaire. Ainsi, le rapport 87Sr/86Sr est largement utilisé dans les empreintes géochimiques, le suivi des sources, la prédiction de la contamination et les études de migration/mobilité. Un changement systématique dans le rapport 87Sr/86Sr de l’eau de mer à travers le temps a fourni une base pour la stratigraphie du strontium et la chronologie du strontium des carbonates et phosphates biogènes marins.
Plus d’informations sur les types d’échantillon et leur sélection pour l’analyse du strontium.
Archéologie
Rapport isotopique du strontium (87Sr/86Sr) de dents de lait humaines montrant la mobilité humaine dans le sud de l’Italie pendant les périodes Gravettienne et Épigravettiene (32157-19097 années cal BP), à travers le dernier maximum glaciaire. Adapté de Lugli et al., 2019.
Chaque région du monde présente un rapport 87Sr/86spécifique en fonction de la géologie et des sources d’eau environnantes. La géologie et par conséquent les sols ont une signature spécifique liée à leur origine. Ainsi, les humains, les plantes et d’autres animaux héritent de la signature isotopique Sr de leur habitat car le Sr est incorporé dans leurs cellules avec d’autres éléments (Ca).
Lorsque les humains et les animaux se déplacent d’un habitat à un autre, ils peuvent être exposés à différentes sources d’eau et de nourriture (végétales et animales). La mesure du rapport 87Sr/86Sr dans les os et les cheveux humains et animaux est un outil efficace pour l’étude de la mobilité et de la migration. Par exemple, l’analyse du 87Sr/86Sr dans les dents humaines peut fournir des informations sur le lieu de naissance car nous naissons avec des dents permanentes et temporaires. De plus, le rapport 87Sr/86Sr des cheveux et des ongles, qui sont constamment renouvelés, peut fournir des preuves de la localisation plus tard dans la vie avant la mort.
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Eaux souterraines
Intrusion d’eau salée dans l’aquifère de Biscayne, comme indiqué par le rapport isotopique du strontium (87Sr/86Sr) des échantillons d’eau prélevés dans le comté de Miami-Dade en 2009. Données de Prinos et al., 2014.
Les processus physiques tels que l’altération ne provoquent pas de fractionnement des isotopes du strontium. Etant donné que le rapport87Sr/86Sr n’est pas impacté par l’altération, il détient la signature des formations rocheuses environnantes et donc le type de roches altérées peut également être analysé.
De plus, le rapport 87Sr/86Sr des eaux souterraines reflète la signature isotopique de l’eau de source ainsi que les formations rocheuses le long de son chemin d’écoulement. L’utilisation du rapport isotopique de Sr avec la concentration de Sr dans l’eau est une méthode efficace pour suivre le mélange et la contamination des eaux souterraines, ainsi que l’intrusion d’eau salée.
Par exemple, la concentration de strontium et les valeurs isotopiques peuvent être utilisées pour tracer la source et le niveau de contamination dans les profils d’eaux souterraines, comme l’ont démontré Nigro et al. (2017).
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Géochronologie-Stratigraphie
Rapport isotopique du strontium (87 Sr/ 86 Sr) de l’eau de mer au cours des temps géologiques basé sur des analyses d’échantillons de sédiments, de brachiopodes, de bélemnites, de conodontes et de foraminifères non altérés provenant de divers endroits dans le monde. La zone rouge indique l’intervalle de confiance à 95 %. Adapté de McArthur et al., 2001.
La précipitation des carbonates et phosphates biogènes marins implique l’absorption de strontium de l’eau de mer avec un rapport87Sr/86Sridentique à celui de la valeur océanique au moment de l’incorporation. Le rapport 87Sr/86Sr de l’océan varie dans le temps, créant une courbe d’eau de mer prévisible qui peut être utilisée pour l’étalonnage de la datation. Cette courbe Sr de l’eau de mer a été développée au cours des 850 derniers millions d’années en utilisant de la calcite foraminifère, des gardes de bélemnite, de l’aragonite à ammonite, des carbonates d’atoll et du ciment marin (McArthur et al. 2012).
En mesurant le rapport 87Sr/86Sr dans l’échantillon et en le plaçant sur la courbe Sr d’eau de mer standard, l’âge de l’échantillon (minéraux marins) peut être déterminé. Cette méthode fonctionne mieux pour les périodes de temps avec des décalages unidirectionnels à long terme dans le rapport 87Sr/86Sr comme le Tertiaire, mais peut techniquement fonctionner au cours des 600 derniers millions d’années. Cette méthode donne une résolution temporelle maximale de 1 million d’années.
Médecine légale
Fourchettes 87Sr/86Sr de substrats géologiques (boîtes ouvertes) et de vins (boîtes remplies) des vignobles sur le même substrat dans différentes régions d’Italie. Redessiné de Marchionni et al., 2013.
Le concept de « nous sommes ce que nous mangeons » est particulièrement vrai lorsqu’il s’agit de la signature isotopique des organismes vivants. Les cellules des humains, des plantes et d’autres animaux reflètent la signature isotopique de la nourriture et de l’eau de leurs habitats, y compris la signature en strontium 87Sr/86Sr. Cette qualité a été utilisée avec succès en science médico-légale pour l’empreinte géochimique des stupéfiants, pour étudier l’origine ethnique d’un individu vivant dans une société, pour suivre le schéma de migration des communautés, pour localiser le lieu de la mort et pour retracer l’adultération des aliments, en particulier dans l’industrie du vin. Cette technique est similaire à celle utilisée par les chercheurs en archéologie pour identifier la migration des personnes, le commerce des biens et les caractéristiques du mode de vie des civilisations précédentes.
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Industrie pétrolière
Les rapports isotopiques du strontium des sels résiduels dans la couche de pétrole de la formation du Jurassique inférieur de Tilje, en Norvège, montrent que les couches de schiste compartimentent les réservoirs de pétrole. Certaines couches sont des barrières plus efficaces que d’autres contre le mélange du pétrole. Modifié d’après Peters et al., 2005.
L’empreinte géochimique Sr a une variété d’applications dans l’industrie pétrolière. Étant donné que différentes formations géologiques présentent des signatures isotopiques Sr spécifiques, le rapport 87Sr/86Sr peut être utilisé pour étudier la migration et le mélange du pétrole entre les unités géologiques et leur efficacité de compartimentation. Le rapport isotopique Sr est également largement utilisé pour le traçage de l’eau de production et la stratigraphie isotopique.
Références
Bentley, R.A., (2006). Strontium isotopes from the earth to the archaeological skeleton: a review. Journal of archaeological method and theory, 13(3), pp.135-187. DOI: 10.1007/s10816-006-9009-x
Capo, R.C., Stewart, B.W. and Chadwick, O.A., (1998). Strontium isotopes as tracers of ecosystem processes: theory and methods. Geoderma, 82(1-3), pp.197-225. DOI: 10.1016/S0016-7061(97)00102-X
Lugli, F., Cipriani, A., Capecchi, G., Ricci, S., Boschin, F., Boscato, P., Iacumin, P., Badino, F., Mannino, M.A., Talamo, S. and Richards, M.P., (2019). Strontium and stable isotope evidence of human mobility strategies across the Last Glacial Maximum in southern Italy. Nature ecology & evolution, 3(6), pp.905-911. DOI: 10.1038/s41559-019-0900-8
Marchionni, S., Braschi, E., Tommasini, S., Bollati, A., Cifelli, F., Mulinacci, N., Mattei, M. and Conticelli, S., (2013). High-precision 87Sr/86Sr analyses in wines and their use as a geological fingerprint for tracing geographic provenance. Journal of agricultural and food chemistry, 61(28), pp.6822-6831. DOI: 10.1021/jf4012592
McArthur, J.M., Howarth, R.J. and Bailey, T.R., (2001). Strontium isotope stratigraphy: LOWESS version 3: best fit to the marine Sr-isotope curve for 0–509 Ma and accompanying look-up table for deriving numerical age. The Journal of Geology, 109(2), pp.155-170. DOI: 10.1086/319243
McArthur, J.M., Howarth, R.J. and Shields, G.A., 2012. Strontium isotope stratigraphy. The geologic time scale, 1, pp.127-144.
Nigro, A., Sappa, G. and Barbieri, M., (2017). Strontium isotope as tracers of groundwater contamination. Procedia Earth and Planetary Science, 17, pp.352-355. DOI: 10.1016/j.proeps.2016.12.089
Peters, K.E., Walters, C.C. and Moldowan, J.M., (2007). The biomarker guide: Volume 1, Biomarkers and isotopes in the environment and human history. Cambridge university press.
Prinos, S.T., Wacker, M.A., Cunningham, K.J. and Fitterman, D.V., (2014). Origins and delineation of saltwater intrusion in the Biscayne aquifer and changes in the distribution of saltwater in Miami-Dade County, Florida (No. 2014-5025). US Geological Survey. DOI: 10.3133/sir20145025