Fractionnement isotopique

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Le concept de fractionnement isotopique rend compte des variations dans la répartition des isotopes d'un élément. De façon simple, l'expression « fractionnement isotopique » correspond simplement à la répartition des isotopes d'un élément. Par exemple, pour l'oxygène, les trois isotopes naturels donnent le fractionnement suivant : 16O compte pour 99,762 % de l'oxygène, 17O pour 0,038 % et 18O pour 0,2 %. De façon plus précise, le fractionnement exprime une répartition entre deux groupes d'isotopes, selon qu'ils sont « légers » ou « lourds » (au sens du nombre de masse des isotopes mis en jeu).

Un postulat de départ étant posé au travers de la loi d'homogénéisation isotopique (ie. la formation de l'Univers et son expansion initiale ont constitué une phase de répartition égale des isotopes à travers le système solaire), il est possible d'étudier les variations autour de cette homogénéité-cadre. Il est en effet constaté que, dans certaines régions ou certaines structures organiques, des taux isotopiques précis varient ; par ailleurs, certaines variations sont doublées de niveaux moyens manifestement maintenus d'une façon ou d'une autre à l'écart des niveaux homogènes moyens. Ainsi, certains corps inertes concentrent moins de carbone 14 que la normale ; certaines couches de glace moins d'eau lourde que d'autres couches ; etc. L'étude fine de ces variations peut donner des renseignements précis sur divers sujets, par exemple en paléontologie ou en climatologie. L'étude de ces variations et une partie de leur interprétation est réalisée par la géochimie.

Par ailleurs, la répartition normale des isotopes obéit à un ensemble de lois physico-chimiques qui ont le plus souvent pour conséquence une surabondance des isotopes stables et légers (tels 16O) par rapport à leurs homologues lourds (tels 17O) ou par rapport aux plus instables. La loi d'homogénéisation isotopique étant une abstraction, il est constaté que les répartitions isotopiques s'en écartent plus ou moins notablement selon les conditions locales et les évènements chimiques ou physiques survenant ponctuellement. Par exemple, un plan d'eau pourrait être « surchargé » en isotopes lourds de l'eau suite à une pollution par un certain type de plante aquatique ou une pluie d'un type particulier. Dans tous les cas, ces variations — faibles mais mesurables — dans l'abondance naturelle des éléments mènent à ce qui est véritablement nommé fractionnement (ou discrimination) isotopique : la variation de la composition isotopique d'un composé donné au cours du temps — en ce sens que les valeurs absolues et figées n'apportent aucun renseignements utiles sur les phénomènes dynamiques étudiés au travers des proxys isotopiques. Pour cela, on réalise le plus souvent une comparaison de rapports isotopiques entre deux moments de la « vie » d'une même structure (lac, océan, roche, cellule, etc.) Comme les isotopes les moins abondants sont les plus sensibles aux phénomènes de fractionnements : c'est leur rareté, éprouvée au travers d'un rapport isotopique, qui va donner un renseignement réel sur le fractionnement isotopique. Les isotopes surabondants, ne subissent en général pas des variations suffisantes pour être mesurables et pertinentes.

On peut distinguer fractionnement isotopique cinétique (pour lequel les écarts à la loi normale se modifient lors d'une réaction chimique) et fractionnement isotopique physique (lors d'un processus physique quelconque). Cette distinction dérive de l'effet isotopique, car on mesure le fractionnement isotopique \Delta comme \Delta = \alpha - 1\alpha est l'effet isotopique pour deux isotopes d'un élément donné.

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