Aperçu de la géochimie du plomb (Pb)
Un total de 43 isotopes du plomb (Pb) sont maintenant connus, y compris des espèces synthétiques très instables, mais les cinq sont couramment utilisés dans la recherche géochimique (Figure 1). Le plomb possède quatre isotopes relativement stables : 204Pb, 206Pb, 207Pb et 208Pb; les trois derniers représentent les extrémités des chaînes de désintégration. 206Pb est en fin de chaîne de désintégration de l’uranium, 207Pb n fin de chaîne de désintégration de l’actinium et 208Pb est en fin de chaîne de désintégration du thorium. 210Pb est un isotope naturel à courte durée de vie avec une demi-vie de 22,6 ans ; sa demi-vie pratique est largement utilisée pour la datation de l’âge glaciaire, des sédiments récents et des dépôts de tourbe.
Les cinq espèces d’isotopes du plomb couramment utilisées dans les études géochimiques.
Les rapports isotopiques du plomb dans la chaîne de désintégration de l’uranium dépendent de la quantité d’uranium et de thorium présente. Les processus géologiques affectent la quantité d’U et de Th présente, ainsi, les isotopes du plomb constituent un outil utile pour comprendre la nature et la temporalité de ces processus. Étant donné que la composition isotopique du plomb du matériau géologique dépend de trois chaînes de désintégration indépendantes, il existe un grand potentiel de variabilité isotopique dans les minéraux.
Plus d’informations sur les types d’échantillons et leur sélection pour l’analyse du plomb.
Géochimie de la Terre solide / Pétrologie
Les rapports isotopiques du plomb peuvent être utilisés pour la datation de l’âge et le traçage pétrogénétique des roches ignées, métamorphiques et hydrothermales. Comme il existe une divergence de comportement chimique entre l’uranium, le thorium et leurs éléments filles, de nombreux processus géologiques peuvent conduire à un fractionnement important des divers isotopes. Il en résulte des modèles distinctifs qui permettent de déterminer l’histoire des roches. Par exemple, la composition isotopique du plomb des roches volcaniques et plutoniques peut être utilisée pour retracer les sources de divers types de magma provenant de différents contextes tectoniques.
Analyses isotopiques Pb des sédiments de l’océan Pacifique et des laves d’arc Mariana Active, d’après Woodhead et Fraser, 1985.
Empreintes géochimiques : poussière et archéologie
Les modèles isotopiques distinctifs du plomb qui sont présents dans différentes lithologies rocheuses (et les sols sus-jacents) permettent de corréler les isotopes du plomb à des zones spécifiques de la surface de la terre. Comme différentes roches présentent des rapports mère/fille distincts, cette propriété a été largement utilisée pour l’étude de provenance de matériaux altérés et érodés, à savoir la poussière. Par exemple, les sources de poussière ont des signatures isotopiques du plomb distinctes, de sorte que la poussière qui a parcouru de longues distances peut être retracée jusqu’à sa région d’origine.
La composition isotopique du plomb de la poussière collectée à la Barbade est comparée à diverses sources potentielles en Afrique, modifiée d’après Bozlaker et al., 2018.
Cette empreinte géochimique peut également être utilisée dans les études archéologiques. Dès le début de l’étude des métaux anciens, un objectif important était d’établir l’origine géologique du métal utilisé pour fabriquer des objets et, de cette manière, d’aborder directement les questions de commerce, de relations commerciales et de mouvement des objets. Étant donné que les isotopes du plomb ne changent pas de forme depuis leur origine géologique (ou forme de minerai) jusquà l’artefact, les artefacts doivent contenir les informations relatives à l’emplacement du site où le plomb a été extrait.
Traçage des sources de contaminants
Le plomb est un métal non essentiel et toxique dont le cycle biogéochimique a été fortement impacté par l’activité humaine. Le plomb pénètre dans l’environnement lors de la production (y compris l’extraction et la fusion), l’utilisation (batteries, pigments, céramiques, plastiques), le recyclage, l’élimination des composés de plomb, la combustion de combustibles fossiles (charbon, ancienne utilisation d’essence au plomb), l’utilisation d’engrais minéraux et l’épandage des boues d’épuration, entre autres. Par conséquent, il est possible d’analyser différents isotopes du plomb pour mesurer les impacts humains au fil du temps en étudiant des plages d’isotopes de plomb uniques qui sont corrélées à des types spécifiques d’activités humaines. Depuis quelques années, on s’intéresse de plus en plus à l’utilisation des isotopes du plomb pour retracer la source et l’origine (géogénique vs anthropique) de la contamination et pour évaluer la persistance de ces éléments dans l’environnement. Par exemple, les isotopes du plomb dans l’essence peuvent être utilisés pour analyser la source continentale de l’essence ainsi que les changements dans la composition de l’essence au fil du temps.
Signature isotopique Pb de l’essence produite sur différents continents (panneau de gauche, d’après Larsen et al., 2012) et changements de la signature isotopique Pb de l’essence américaine au fil du temps (panneau de droite, d’après Dunlap et al., 2008)
Recherche médico-legale
Dans de nombreux cas d’homicides, il y a souvent un manque de preuves matérielles pour identifier l’agresseur. L’analyse isotopique du plomb de petits fragments de matériau de balle peut souvent fournir une identification positive du coupable en supposant que les cartouches de balle d’un même lot ont toutes la même composition isotopique. Par exemple, différentes marques de balles ont souvent des signatures isotopiques de plomb distinctes. De cette façon, les isotopes du plomb peuvent être utilisés pour faire correspondre une balle trouvée sur une scène de crime à des balles de suspects potentiels. Cela fonctionne lorsque la balle complète n’est pas disponible pour les tests balistiques.
En apprendre davantage sur l’analyse isotopique en géographie médico-légale.
Signature isotopique Pb des balles de différents fabricants à travers le monde (d’après Sjåstad et al., 2016).
Références
Bozlaker, A., Prospero, J.M., Price, J. and Chellam, S., (2018). Linking Barbados mineral dust aerosols to North African sources using elemental composition and radiogenic Sr, Nd, and Pb isotope signatures. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123(2), pp.1384-1400. DOI: 10.1002/2017JD027505
Dunlap, C.E., Alpers, C.N., Bouse, R., Taylor, H.E., Unruh, D.M. and Flegal, A.R., (2008). The persistence of lead from past gasoline emissions and mining drainage in a large riparian system: Evidence from lead isotopes in the Sacramento River, California. Geochimica et Cosmochimica Acta, 72(24), pp.5935-5948. DOI: 10.1016/j.gca.2008.10.006
Larsen, M.M., Blusztajn, J.S., Andersen, O. and Dahllöf, I., (2012). Lead isotopes in marine surface sediments reveal historical use of leaded fuel. Journal of Environmental Monitoring, 14(11), pp.2893-2901. DOI: 10.1039/c2em30579h
Sjåstad, K.E., Lucy, D. and Andersen, T., (2016). Lead isotope ratios for bullets, forensic evaluation in a Bayesian paradigm. Talanta, 146, pp.62-70. DOI: 10.1016/j.talanta.2015.07.070
Woodhead, J.D. and Fraser, D.G., (1985). Pb, Sr and 10Be isotopic studies of volcanic rocks from the Northern Mariana Islands. Implications for magma genesis and crustal recycling in the Western Pacific. Geochimica et Cosmochimica Acta, 49(9), pp.1925-1930. DOI: 10.1016/0016-7037(85)90087-0