Traceurs Isotopiques

Ainsi, par exemple, l’observation que le CO₂ atmosphérique voit depuis 150 ans sa valeur de δ¹³C diminuer au fur et à mesure que sa concentration augmente permet d’attribuer l’essentiel de cette augmentation aux sources fossiles, qui sont nettement plus pauvres en ¹³C que les autres sources de carbone.



Cependant, les systèmes naturels sont complexes et les traceurs isotopiques « classiques » (δ¹³C, δ¹⁸O, δ²H,...) sont souvent insuffisants pour rendre compte de tous les paramètres que l’on souhaite étudier. Ainsi, par exemple, la composition en oxygène-18 des carbonates marins issus de carottes sédimentaires provenant de toutes les mers du globe varie très clairement suivant des cycles quasipériodiques de 100 000 et 40 000 ans au cours des derniers 2,6 millions d’années. On sait depuis longtemps que ces cycles reflètent la fois l’évolution de la température des océans et celle de leur composition isotopique (δ¹⁸O, qui varie avec le volume des calottes glaciaires), mais il reste souvent difficile de quantifier précisément les parts respectives des ces deux facteurs. En complément des traceurs isotopiques classiques, le développement de nouveaux traceurs est venu progressivement enrichir la palette des outils permettant d’étudier ces systèmes complexes. Par exemple, l’anomalie d’oxygène-17, notée Δ¹⁷O, est définie comme l’écart du rapport ¹⁷O/¹6O mesuré dans un échantillon par rapport à des lois phénoménologiques qui décrivent la distribution des trois isotopes stables de l’oxygène (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O) dans différentes molécules (O₂, H₂O, CO₂, C³²O-,S⁴²O-,...).

En mesurant précisément Δ¹⁷O, on obtient une information supplémentaire qui vient compléter les autres observations isotopiques (ex : δ₁₈O). Le clumping isotopique* désigne une autre catégorie de traceurs isotopiques, définis comme des anomalies statistiques par rapport à une distribution purement aléatoire (« stochastique ») des isotopes dans un échantillon donné. Le plus connu de ces traceurs est le "clumping" isotopique dans le CO₂ et les minéraux carbonatés (« Δ¹⁷ »), défini comme l’anomalie statistique associée aux isotopologues du CO₂ de masse 47, principalement constitués de ¹⁶O¹³C¹⁸O. Dans de nombreux carbonates naturels, la valeur de Δ₄₇ est directement reliée à sa température de cristallisation.

Pour revenir à l’exemple précédent, si l’on est capable de mesurer précisément, dans un carbonate marin, à la fois δ¹⁸O et Δ₄₇, il devient possible de distiguer quantitativement entre les effets de température et ceux de la composition isotopique de l’eau. Ces nouveaux traceurs ont connu un essor rapide au cours des vingt dernières années, et leurs applications couvrent une très large gamme de domaines scientifiques (paléo-climatologie, processus diagénétiques, pétrologie, chimie de l’atmosphère, méthanogenèse, biocalcification, paléohydrologie, cosmochimie...). Leur mesure repose habituellement sur des techniques de pointe relevant de la spectrométrie de masse associées à un savoir-faire analytique spécialisé (protocoles de préparation d’échantillons, standardisation des mesures,...). L’Ile-de-France dispose d’une expertise internationalement reconnue pour ce qui concerne la mesure du clumping isotopique, avec les deux seuls laboratoires français disposant actuellement d’infrastructures pour les analyses de Δ₄₇ (Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement ; Institut de Physique du Globe de Paris).