Thèse Année : 2024

Development of a field micro-sampling method based on a tandem portable-LIBS-portable / Induced particle recovery module for elemental and isotopic analysis : Archaeological applications

Développement d’une méthode de micro-échantillonnage de terrain reposant sur un tandem LIBS-portable / Module de récupération des particules induites pour analyses élémentaires et isotopiques : Applications archéologiques

Résumé

Archaeological studies are often subject to strict preservation requirements, as samples may be valuable, fragile and/or limited in quantity. In some contexts, sampling may also need to be carried out in situ and may involve surfaces or targets that are difficult to access. Unfortunately, few methods are currently able to address all of these issues at once, and there is a real need for targeted, minimally invasive sampling methods. This is particularly the case when the analyses necessarily require the removal of material and cannot be replaced by non-destructive methods. In response to this situation, this PhD project focused on the development of a portable laser ablation field micro-sampling method designed to provide respectful sampling in a format suitable for field use and complex environments. After the development of the method, we explored its potential in the case of uranium-thorium geochronometer dating of geological samples, in particular calcite speleothems often associated with prehistoric cave art. The proposed sampling method exploits the natural laser ablation capabilities of a portable LIBS (Z300, Sciaps), the tip of which has been modified by 3D printing to incorporate a particle collection module.This combination allows to obtain on-site information directly from LIBS spectra and to collect laser-induced particles for ICP-MS analysis. We then adapted this method to the collection of micro-samples (~1mg) of calcite (mainly speleothems, but also corals) with the aim of dating them by the U/Th method. As part of this application, we also had to define a method for solubilising the particles collected by laser ablation in order to extract the isotopic information they contain. A first step of preliminary testing was then carried out and two samples (a speleothem and a coral) were successfully dated by MC-ICP-MS (nu 1700) following the conventional dating protocol for this type of analysis. We then worked on an alternative chemical preparation method using Cloud Point Extraction (CPE), which in this case allows uranium and thorium to be extracted without the constraints of the conventional preparation method, in particular the use of radioactive tracers.To this end, we have developed and optimized a CPE system for quantitative extraction of uranium and thorium isotopes, designed for 1 mg calcite micro-samples containing a maximum concentration of 2 ppm of total uranium and thorium. This method was tested by dating a set of known samples collected using the method developed for this thesis and analyzed by Q3-ICP-MS (Agilent 8900). This final study provided a proof of concept for the entire analytical protocol developed. Finally, we also explored another application for this sampling method, working on cinnabar pigments (Hg-S) used in Roman wall frescoes discovered in Pompeii. However, laser ablation of these pigments led to isotopic fractionation of the mercury, altering its isotopic signature and highlighting certain limitations of the method.

Les études archéologiques présentent la particularité d’être fréquemment soumises à des impératifs de préservation stricts des échantillons, ces derniers pouvant être précieux, fragiles et/ou limités en termes de quantité. Dans certains contextes l’échantillonnage peut également nécessiter d’être réalisé in-situ et viser des surfaces ou cibles difficiles d’accès. Malheureusement, peu de méthodes ne permettent de nos jours de pouvoir répondre à toutes ces problématiques à la fois, et un véritable besoin pour des méthodes d’échantillonnage ciblées et peu invasives émerge. Cela est particulièrement vrai notamment lorsque les analyses envisagées reposent sur le prélèvement obligatoire de matière et ne peuvent être substituées par des méthodes non destructives. Pour répondre à cette situation, ce projet de thèse s’est articulé autour de la conception d’une méthode de micro-échantillonnage de terrain par ablation laser portable, permettant un échantillonnage respectueux dans un format adapté au terrain et aux environnements complexes. Après avoir développé la méthode, nous avons exploré son potentiel dans le cas de la datation uranium-thorium d’échantillons de spéléothèmes en calcite, fréquemment associés aux œuvres pariétales préhistoriques. La méthode d’échantillonnage proposée repose sur l’utilisation des capacités naturelles d’ablation laser d’un LIBS-portable (Z300, Sciaps), dont nous avons modifié l’extrémité par impression 3D afin de pouvoir lui greffer un module de collecte des particules. Par cette combinaison, ce système permet d’obtenir à la fois des informations sur site directement à partir des spectres LIBS mais également de collecter les particules induites par laser afin de pouvoir les analyser par différentes techniques de spectrométrie de masse. Nous avons ensuite adapté cette méthode au prélèvement de microéchantillons (~1mg) de calcite (principalement des spéléothèmes mais également des coraux) avec pour objectif leur datation par la méthode U/Th. Dans le cadre de cette application, nous avons également dû définir une méthode de solubilisation de particules collectées par ablation laser afin d’extraire les informations isotopiques qu’elles contiennent. Une première phase de tests préliminaires fut réalisée et deux échantillons (un spéléothème et un corail) furent datés par MC-ICP-MS (nu 1700) avec succès en suivant le protocole de datation conventionnel pour ce type d’analyse. Nous avons par la suite travaillé sur une méthode de préparation chimique alternative en utilisant la méthode de l’extraction au point trouble (ou « CPE ») qui permet entre autres de s’affranchir des contraintes de la méthode conventionnelle, et notamment l’emploi de traceurs radioactifs. Pour cela, nous avons développé et optimisé un système CPE permettant l’extraction quantitative des isotopes de l’uranium et du thorium, dimensionné pour des microéchantillons de calcites d’1 mg concentrés jusqu’à 2 ppm en uranium et thorium total. Cette méthode fut éprouvée au travers de la datation d’échantillons connus, prélevés selon la méthode développée pour ce travail de thèse et analysés par QQQ-ICP-MS (Agilent 8900). Nous sommes parvenus à établir une preuve de concept pour l’ensemble du protocole analytique développé. Enfin, nous avons également exploré une application différente pour cette méthode de prélèvement, en travaillant sur les pigments de cinabre (Hg-S) utilisés dans des fresques murales romaines découvertes à Pompéi. L’ablation laser de ces pigments à cependant conduit à un phénomène de fractionnement isotopique sur le mercure, modifiant leur signature isotopique et mettant ainsi en lumière certaines limites de la méthode.

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  • HAL Id : tel-04994641 , version 1

Citer

Matthieu Boccas. Développement d’une méthode de micro-échantillonnage de terrain reposant sur un tandem LIBS-portable / Module de récupération des particules induites pour analyses élémentaires et isotopiques : Applications archéologiques. Chimie analytique. Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2024. Français. ⟨NNT : 2024PAUU3038⟩. ⟨tel-04994641⟩
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