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Signification des valeurs du d18O

Par lhuillier — Dernière modification 05/01/2016 10:24
L'eau (océan, vapeur,pluie, glace, etc.) est constituée essentiellement à partir de l'isotope 16 de l'oxygène qui est le plus répandu. Le rapport H 2 18 O/H 2 16 O dans l'eau est de l'ordre de 1/500. Ce rapport est mesuré par spectrométrie de masse et a permis de montrer des variations extrêmement faibles de ce rapport dans les océans (de l'ordre de ± 0,1%) et un peu plus importantes dans les précipitations pluie et neige (de l'ordre de ±3% ). 

Mise à jour : 13/02/2006

 

Rédigé par T. Lhuillier, Lycée Claude de France, Romorantin
et par G. Delaygue, Université de Berne

 d18O dans l'eau

 

 

frac-fig1.gif

figure présente dans l'explication de G. Delaygue sur le fractionnement isotopique de l'oxygène dans les nuages.

Par commodité, ces variations sont calculées de façon relative (comme ci-dessus, par exemple -0,6%), par rapport à une composition de référence. Ces variations étant faibles, sont exprimées en pour mils au lieu de pour cents (par exemple -6 pour mil, = -0,6%).
Le d18O est défini ainsi :

 

 

où le rapport [H218O/H216O] SMOW représente le rapport de référence pour l'eau("Standard Mean Ocean Water" ; ce rapport est proche de la composition moyenne des océans actuels). 

Un d18O = -35 pour mil (noté "-35â") dans une glace du Groenland signifie que : 

 

conversion.gif

 

En clair, l'échantillon de glace a un rapport isotopique inférieur de 3,5% à celui de la référence SMOW. Ou encore, pour deux échantillons de même masse (même quantité d'H216O), celui de glace contient environ 3,5% de moins d' H218O que celui de la référence SMOW. 

Attention : Certaines analyses mesurent la composition de l'eau pour les isotopes de l'hydrogène, soit le rapport HDO/H2O avec D = le deutérium (2H). Le principe est le même que pour l'oxygène, et la notation est dD pour 'delta Deutérium'. On observe que dans les précipitations (pluie et neige), ces deux compositions sont étroitement reliées par la relation :

 

dD = 8xd18O + 10

 

 

Éviter les ambiguïtés pour les élèves !

  • Le passage d'un d18O de - 30 à - 50 correspond :
    - à une diminution du d18O, c'est à dire à une augmentation du déficit en 18O.
  • La dernière déglaciation correspond : 
    - à une augmentation du d18O en allant du passé à l'actuel. 

d18O dans les carbonates

 

Les organiques à tests calcaires tel que les foraminifères marins élaborent leur test (CaCO3) à partir des molécules en solution dans l'eau de mer ( HCO3-). L'analyse par spectrométrie de masse des carbonates de ces tests permet donc de calculer un d18O défini ainsi : 

 

delta18car.gif

 

où le rapport [18O/16O] PDB correspond au rapport isotopique de référence nommé "PeeDee Belemnite" (Rostre de bélemnite de la formation 'PEEDEE' aux USA ).
La composition isotopique des carbonates dépend à la fois de la température de l'eau et de la composition isotopique de l'eau de mer au moment de leur précipitation. Cette dépendance a été calibrée expérimentalement par Epstein et col. (1953) sur des coquilles de gastropodes élevés en laboratoire. La relation est la suivante: 

 

 

T(°C)= 16,9-4,2x(dc-de) + 0,13x(dc-de)2

 

 

 

dc représente le d18O des carbonates et de le d18O de l'eau de mer au moment de la précipitation. 

 

Les foraminifères benthiques vivent près du fond où la température est peu variable (en première approximation). Dans la relation ci-dessus, si la température T reste constante (Température du fond) , alors la différence dc-de doit l'être aussi.
les variations de dc que l'on mesure dans les carbonates sont alors égales à celles de de (différence dc-de constante). 
Les variations du d18O de ces foraminifères le long d'une carotte de sédiment (dc) sont égales aux variations de la composition isotopique de l'eau de mer (de), dues aux variations de volume des calottes glaciaires (et donc reliées au niveau de la mer). 

Pour les foraminifères planctoniques, qui vivent près de la surface, les variations de leur d18O (dc) sont dues à la fois à celles de la température T et celles de l'eau de mer (de).
de est connu par l'analyse des variations de d18O des foraminifères benthiques. On peut alors estimer les variations (locales) de la température T de la surface de la mer. La relation ci-dessus indique qu'une augmentation de dc de +1 pour mil (corrigée de de) est due à un refroidissement de -4°C environ. 

Aide-mémoire


 

Lors de la dernière glaciation, on observe :

Température

Volume des glaces

Diminution du d18O des glaces de -33 à - 43

Baisse de température de l'air de 15°C

 

Augmentation du d18O des foraminifères benthiques de +4 à + 5,2 pour mil

 

Enrichissement de l'eau de mer en 18O.
Augmentation du volume des calottes glaciaires (appauvries en 18O)de +114%.