Comprendre le fractionnement isotopique

Le fractionnement d’isotopes stables du carbone 13 (13C) et du carbone 12 (12C) correspond à la fluctuation dans le rapport des isotopes du fait des processus biochimiques en fonction de leur masse atomique.1 Ces variations sont indépendantes du temps et de la décroissance radioactive naturelle. Il est habituel dans les laboratoires de datation de corriger l’activité du radiocarbone avec le fractionnement de l’échantillon. Les âges obtenus sont dits “normalisés” ce qui signifie que la mesure de l’activité est modifiée d’environs 25 pour mille par rapport au VPBD. Le facteur de correction doit être ajouté ou soustrait de l’âge obtenu de manière conventionnelle.

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Les tarifs de Beta Analytic comprennent les mesures δ13C dans le cadre de l’analyse du carbone 14. Le laboratoire effectue également la mesure δ13C INDÉPENDAMMENT de celle du C14 sauf pour des échantillons d’eau. Veuillez nous contacter pour les tarifs actualisés.

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Importance de la mesure du fractionnement isotopique

Afin de fournir des déterminations radiocarbone à la fois précises et exactes, il est nécessaire de corriger le « fractionnement isotopique » à l’aide des isotopes stables 13C et 12C. Cette correction compense l’erreur introduite par les différences de mécanisme métaboliques et respiratoires entre le matériau standard de référence moderne et le matériau de l’échantillon. L’unité de mesure est appelée « δ13C ».

Deux valeurs δ13C sont mesurées par Beta Analytic :
– L’une est la valeur applicable pour corriger le fractionnement total (naturel, chimique et AMS).
Cette valeur n’est pas indiquée dans le rapport, mais elle est utilisée pour produire l’« âge radiocarbone conventionnel ». Important : les conventions de rapport utilisant la terminologie « âge radiocarbone conventionnel » indiquent que le résultat a été corrigé pour le fractionnement isotopique.

– Beta mesure également une seconde valeur δ13C dans un spectromètre de masse de rapport isotopique (IRMS δ13C).
Cette valeur est représentative de l’échantillon en lui-même et est indiquée dans le rapport. C’est la valeur que la littérature scientifique attend.

A titre de comparaison, le rapport « AMS δ13C » est trompeur et peut entraîner des erreurs d’interprétation. Les utilisateurs de dates radiocarbone devraient toujours savoir si la valeur δ13C qu’ils utilisent pour leurs recherches a été obtenue par IRMS ou par AMS. S’il s’agit d’une valeur δ13C obtenue par AMS, elle ne peut pas être utilisée pour les études sur les mécanismes alimentaires ou métaboliques. Les valeurs δ13C reportées par Beta sont toujours les valeurs mesurées dans l’IRMS.

Existence et mesure du fractionnement isotopique

AMS lab

Le fractionnement naturel pendant le transfert géochimique du carbone produit une variation de l’équilibre de distribution des isotopes de 12C, 13C et 14C. En 1953, Craig fut le premier à identifier que certains processus biochimiques modifient l’équilibre entre les isotopes du carbone. Certains processus comme la photosynthèse, par exemple, favorisent un isotope par rapport aux autres en diminuant le C13 de 1.8% par rapport au rapport naturel dans l’atmosphère (Harkness, 1979). Au contraire, le carbone inorganique dissous dans les océans est enrichi de 0.7% en carbone 13 par rapport au CO2 atmosphérique.

L’importance du fractionnement isotopique pour le rapport 14C/12C (qui doit être mesuré avec précision) est environ le double de celui mesuré pour le rapport 13C/12C. Le fractionnement isotopique est un processus naturel et la correction peut être réalisée en mesurant le ratio de l’isotope 13C sur le 12C dans l’échantillon à dater. Le rapport est établi en utilisant un spectromètre ordinaire. La composition isotopique de l’échantillon est mesurée en delta de 13C qui représente la différence de particules pour mille entre le carbone 13 de l’échantillon et le contenu de l’échantillon carbonate standard PBD (Keith et al., 1964; Aitken, 1990). Une valeur de delta 13C représente alors la déviation pour mille par rapport au standard de PBD. Le PBD correspond à la formation de bélemnite du crétacée à Peedee en Caroline du Sud, Etats Unis. Cette nomenclature a récemment été remplacée par VPBD (Coplen, 1994).

La valeur de delta 13C d’un échantillon peut fournir des informations capitales sur l’environnement duquel il provient ou sur le mélange de matériaux qui le compose, car la valeur de l’isotope de l’échantillon est un reflet de la composition isotopique de l’environnement immédiat. Dans le cas d’un crustacé par exemple, ceux provenant de la mer ont une valeur de 13C entre -1 et + 4 pour mille alors que les ceux provenant des rivières ont une valeur entre -8 et -12 pour mille. Ainsi dans le cas précis où l’environnement du crustacé est inconnu, il est possible de déterminer l’environnement le plus probable avec le delta de 13C.

Le fractionnement décrit aussi les variations des rapports isotopiques modifiés par des causes non naturelles. Par exemple les échantillons peuvent être fractionnés dans le laboratoire par plusieurs moyens : conversion incomplète d’une étape à l’autre ou d’un endroit du laboratoire à l’autre. Dans le comptage par scintillation liquide par exemple, la synthèse incomplète de l’acétylène pendant la préparation au carbure de lithium peut conduire à un mauvais rendement et à un fractionnement surajouté. De la même façon, le transfert de gaz dans le système sous vide conduit à une erreur sur le fractionnement si l’échantillon de gaz ne peut pas s’équilibrer dans le volume total. Les atomes de masse plus importante ou plus faible peuvent être favorisés dans ces conditions. Si malgré tout la totalité de l’échantillon est convertie complètement d’une forme à l’autre (par exemple solide vers gaz, acétylène vers benzène) alors le fractionnement lié au laboratoire ne se produira pas.

L’âge carbone 14 conventionnel (BP) et correction C13/12

Une mesure du radiocarbone appelée l’âge carbone 14 conventionnel (ou CRA) est obtenue en utilisant des paramètres décrits par Stuiver et Polach (1977) dans la revue Radiocarbon. Un niveau d’activité 14C indépendant du temps pour le passé est l’hypothèse retenue pour la mesure du CRA. L’activité du niveau hypothétique de C14 est égale à l’activité du standard international absolu du radiocarbone.

L’âge carbone 14 conventionnel BP est calculé grâce à l’équation de décroissance radioactive suivante :

t=-8033 ln(Asn/Aon)

Où -8033 représente la durée de vie moyenne du C14 (Stuiver et Polach, 1977). Aon est l’activité en coup par minute du standard moderne et Asn est l’équivalent en cpm de l’échantillon. ‘ln’ représente le logarithme.

Un CRA comprend les conventions suivantes :

  • Une demi-vie de 5568 ans
  • L’utilisation de l’acide oxalique I ou II comme standard de radiocarbone moderne
  • La correction pour le fractionnement isotopique (delta 13C) pour une valeur de base ou normalisée de -0,25 pour mille relativement au rapport δ13C pour le standard carbonate VPDB
  • L’utilisation de l’année 1950 pour le BP zéro pour que tous les âges de C14 remontent le temps à partir de 1950.
  • L’hypothèse que tous les réservoirs de C14 sont restés constants dans le temps.

Référence:

1. Royal Ervin Taylor, Radiocarbon Dating: An Archaeological Perspective (1987), Academic Press