Ion Beam Radiation Effects in Monazite.

International audienceMonazite is a potential matrix for conditioning minor actinides arising from spent fuel reprocessing. The matrix behavior under irradiation must be investigated to ensure long-term containment performance. Monazite compounds were irradiated by gold and helium ions to simulate the consequences of alpha decay. This article describes the effects of such irradiation on the structural and macroscopic properties (density, hardness) of monazites LaPO4 and La0.73Ce0.27PO4. Irradiation by gold ions results in major changes in the material properties. At a damage level of 6.7 dpa, monazite exhibits volume expansion of about 8.1%, a 59% drop in hardness, and structure amorphization, although Raman spectroscopy analysis shows that the phosphate-oxygen bond is unaffected. Conversely, no change in the properties of these compounds was observed after He ion implantation. These results indicate that ballistic effects predominate in the studied dose range

Experimental determination of the incorporation of Th into orthophosphates and the resetting of geochronological systems of monazite

This PhD thesis is divided into three parts: (1) the experimental incorporation of Th in monazite and xenotime, (2) the behaviour of the monazite structure under temperature-induced healing, and (3) the experimental resetting of the U-Pb geochronological system in monazite. (1) The Th distribution between monazite and xenotime as a result of the Th + Si = REE + P substitution mechanism was experimentally determined in the T-P-range of 600 to 1100°C and 2Kbar. Starting mixtures consisted of gels and were composed of equal amounts of CePO4 and YPO4 with addition of 10, 20 and 50 mole % of ThSiO4. Run products were analysed using AEM and XRD. At all temperatures, the ThSiO4 component is partitioned almost exclusively into monazite for a ThSiO4 component of 10 and 20 mole %. Xenotime is apparently ThSiO4-free. In the T-range 600°C-900°C and for ThSiO4 = 50 mole %, thorite is additionally formed indicating ThSiO4 saturation within monazite at these conditions. At 1000°C, only monazite and a small amount of xenotime crystallised. No thorite was observed. (2) The healing of radiation damage in a natural and chemically homogeneous concordant (474±1 Ma) monazite has been experimentally investigated (500-1200°C/~7days). XRD, TEM, Raman microprobe and Cathodoluminescence analysis were performed. The unheated monazite has a mosaic structure consisting of two domains corresponding to two monazite crystals with different lattice parameters. (A) domains correspond to well-crystallised areas where He atoms are trapped, thus inducing their lattice expansion. (B) domains are interpreted to exhibit a He-free distorted monazite crystal lattice which can be referred to old alpha-recoil tracks. With increasing temperature, He diffuses out of the monazite lattice, thus inducing its relaxation. Additionally, the nm-sized defect domains (B) are getting healed. The complete healing is achieved at 900°C after 7 days. (3) In order to investigate the influence of fluid composition and temperature on resetting, abraded fragments (200-400 µm) from monazite used in (2) were experimentally treated (800-1000°C/14-39 days) within solutions of different compositions (H2O up to 1200°C/5 days, NaCl, SrCl2 CaCl2-fluids and a Pb-spike-fluid). Products were analysed using SEM, EMP, SIMS and ID-TIMS. For all runs, EMP traverses revealed no Pb-diffusion profiles. Significant overgrowths of newly formed monazite occurred only in the 1000°C experiments when either CaCl2 or Pb-bearing fluids were present. For CaCl2, inherited core and newly formed Ca-rich and Pb-free monazite rim were produced by dissolution/precipitation. Significant discordancy was only observed when grains were treated with SrCl2 (16%) and CaCl2 (68%) solutions at 1000°C. Finally, experiments performed in the presence of Pb-standard produced sub-concordant monazite with a 207Pb/206Pb apparent age older than prior to the experiment indicating Pb-contamination by the fluid.Cette thèse présente les résultats d'étude expérimentales sur (1) le partage du Th entrela monazite et le xenotime, (2) l'effet du recuit sur la structure de la monazite ainsi que (3) laremise à zéro des systèmes géochronologiques U-Pb dans la monazite.(1) Le partage du Th entre la monazite et le xenotime a été déterminéexpérimentallement (600-1100°C/2Kbar) en considérant le mécanisme de substitutionsuivant: Th + Si = REE + P. Le matériel de départ est un gel constitué d'un mélange deCePO4 et YPO4 (1:1) plus 10, 20 ou 50 mole % de ThSiO4. Les produits sont analysés auMET et en DRX. Quelque soit la température et pour une composition initiale de 10 ou 20mole % de ThSiO4, le Th est presque entièrement réparti dans la monazite. Entre 600 et900°C et pour une composition initiale de 50 mole % de ThSiO4, la cristallisation de la thoritemontre une saturation en Th de la monazite. A 1000°C, seuls la monazite et un peu dexénotime sont observés; la thorite est absente.(2) Le recuit des dégats d'irradiation dans une monazite naturelle, homogènechimiquement et concordante à 474 ± 1 Ma, a été étudié expérimentallement (500-1200°C/~7jours). Les produits ont été analysés en DXR, MET, Raman et cathodoluminescence. Lamonazite non-chauffée révèle une structure en “mosaïque” composée de 2 domaines, qui sont2 cristaux de monazites de paramètres de maille différents. Les domaines (A) correspondentaux domaines parfaitement cristallisés, où l'hélium emprisonné provoque une expansion duréseau. Les domaines (B) correspondraient à des domaines exempts d'hélium, où le réseau aété déterioré par les noyaux de recul-alpha. Lors du recuit de la monazite l'hélium diffusehors du cristal, ce qui induit une relaxation du réseau dans les domaines (A). En même temps,les domaines (B), défectueux, sont recuits. A 900°C, le réseau de la monazite est entièrementrecuit.(3) Afin d'étudier l'effet de fluides et de la température sur le “resetting” des systèmesU-Pb dans la monazite, des fragments abrasés (200-400 µm) de l'échantillon utilisé en (2) ontété chauffés (800-1000°C/14-39 jours) en présence de solutions de diverses compositions (eaupure jusqu'à 1200°C/5 jours, fluides à NaCl, SrCl2 CaCl2 et standard de Pb) puis analysés auMEB, EMP, SIMS et ID-TIMS. Quelle que soient les expériences aucun profil de diffusiondu Pb n'est observé (EMP). En présence de fluide à CaCl2 ou à standard de Pb et uniquementpour les expériences réalisées à 1000°C on observe des surcroissances. A 1000°C et dans unfluide à CaCl2 on observe une zonation, coeur hérité et bordure enrichie en Ca et exempt dePb, formée par dissolution/précipitation. Des discordances significatives sont observéesuniquement pour les expériences réalisées à 1000°C dans les fluides à SrCl2 (16%) ou CaCl2(68%). Enfin, l'utilisation du fluide à standard de Pb induit un vieillissement des monazitesinitiales, ce qui indique une contamination de la monazite par ce fluide

Textures d'altération dans une monazite de Norvège

Textures d'altération en électrons rétrodiffusés au MEB dans une monazite de Norvège. Ces textures sont interprétées comme des réactions d'altération par dissolution-précipitation couplée en présence de fluides conduisant au remplacement partiel de la monazite primaire magmatique (Mnz1 et Mnz1') par une monazite secondaire (Mnz2) associée à une phase riche en Th (ThSiO4 ± ThO2) ± xénotime. Ref. Seydoux-Guillaume et al. (2007), European Journal of Mineralogy, 19,7-1

Défauts induits par une ablation laser femtoseconde dans une monazite

Observations en microscope électronique en transmission (MET) effectuées dans 2 coupes FIB préparées transversalement dans 1 cratère d'ablation femtoseconde (1 tir). A- Scanning TEM (STEM) d'une partie de la coupe FIB montrant 4 zones différentes: un niveau de matériel resolidifié (i), une zone très endommagée avec le cliché de diffraction correspondant (B) caractéristique de présence de mosaïcité dans le cristal (ii), une zone intermédiaire avec des contrastes diffus en STEM et le cliché de diffraction correspondant (C) (iii), et une zone non perturbée avec les contrastes classiques d'une monazite naturelle (voir aussi G) avec ses défauts d'irradiation (D) (iv). Ref. Seydoux-Guillaume et al. (2010), European Journal of Mineralogy, 22,235-244

Particules produites lors de l'ablation laser femtoseconde d'une monazite

Images MET (BF) et spectres EDX associés des deux types de particules formées après ablation femtoseconde de la monazite de Moacyr. A) billes et b) agglomérats. Etude en collaboration avec F-X d'Abzac. Ref. d'Abzac, Thèse, 2010, Université P. Sabatier, Toulous

Experimentelle Bestimmung zum Einbau von Th in Orthophosphaten und zum Resetting der geochronologischen Systeme in Monazit

Die vorgelegte Dissertation beschäftigt sich mit (1) der Th Verteilung zwischen Monazit und Xenotim, (2) der Veränderung der Monazit Struktur beim Aufheizen, und (3) dem Resetting des U-Pb Systems in Monaziten. (1) Die Th Verteilung zwischen Monazit und Xenotim wurde, als Resultat der Th + Si = REE + P Substitution, experimentell (600-1100°C/2 kbar) untersucht. Dazu wurden Gele mit den gleichen Gehalten an CePO4 und YPO4 plus 10, 20 und 50 Mol % ThSiO4 als Anfangsmaterial benutzt. Nach den Experimenten wurden die Produkte mit AEM und XRD analysiert. Für alle Temperaturen und für Ausgangszusammensetzungen von 10 und 20 Mol % ThSiO4 wird ThSiO4 fast vollständig in Monazit eingebaut. Für 50 Mol % ThSiO4, kristallisiert zwischen 600° und 900°C Thorit. Das belegt, daß bei diesen Bedingungen Monazit an ThSiO4 gesättigt ist. Bei 1000°C kristallisierten Monazit, wenig Xenotim und kein Thorit. (2) Die Ausheilung von Strahlungsdefekten in einem natürlichen, homogenen, bei 474 ± 1 Ma konkordanten Monazit, wurde unter Verwendung von XRD, TEM, Raman und Kathodoluminescenz experimentell untersucht (500-1200°C/~7Tage). Der unbehandelte Monazit besteht aus einem Mosaik zweier Domänentypen (A) und (B), die zwei Monaziten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten entsprechen. Die Domänen (A) entsprechen gut kristallisierten Bereichen, in denen He Atome, die eine Gitterexpansion induzieren, eingeschlossen sind. Die Domänen (B) entsprechen einem beschädigten Gitter (ohne He), dessen Defekte durch Alpha-Rückstoß Nuclei verursacht wurden. Während der Ausheilung, diffundiert das He aus dem Monazit-Gitter und induziert eine Gitterrelaxation. Gleichzeitig werden die defektreichen Domänen (B) ausgeheilt. Die komplette Heilung ist bei 900 nach 7 Tagen erreicht. (3) Um den Einfluß verschiedener Flüssigkeitszusammensetzungen und Temperaturen auf den Prozess des Resettings in Monazit zu untersuchen, wurden im Luftstrom gerundete Partikel (200-400 µm) des in (2) verwendeten Monazit experimentell (800-1000°C/14-39 Tage) in verschiedenen Lösungen (H2O bis 1200°C/5 Tage, NaCl, SrCl2, CaCl2, und Pb-spike ) behandelt. Die Produkte wurden mit REM, EMP, SIMS und ID-TIMS analysiert. Für alle Experimente wurden mit EMP keine Pb Diffusionsprofile nachgewiesen. Signifikantes Aufwachsen von Monazit wurde nur bei 1000°C, in CaCl2 oder Pb-spike haltigen Experimenten beobachtet. In CaCl2-Lösungen erfolgte das Aufwachsen von neuem Monazit auf alten Monazitkörnern entsprechend einem Auflösungs/Ausfällungs Mechanismus. Signifikante Diskordanz wurde nur für den bei 1000°C in SrCl2 (16%) und CaCl2 (68%)-Lösungen ausgesetzten Monazit beobachtet. Monazite, die mit Pb-spike Lösungen koexistierten, zeigen nach den Experimenten höhere 207Pb/206Pb Alter.This PhD thesis is divided into three parts: (1) the experimental incorporation of Th in monazite and xenotime, (2) the behaviour of the monazite structure under temperature-induced healing, and (3) the experimental resetting of the U-Pb geochronological system in monazite. (1) The Th distribution between monazite and xenotime as a result of the Th + Si = REE + P substitution mechanism was experimentally determined in the T-P-range of 600 to 1100°C and 2Kbar. Starting mixtures consisted of gels and were composed of equal amounts of CePO4 and YPO4 with addition of 10, 20 and 50 mole % of ThSiO4. Run products were analysed using AEM and XRD. At all temperatures, the ThSiO4 component is partitioned almost exclusively into monazite for a ThSiO4 component of 10 and 20 mole %. Xenotime is apparently ThSiO4-free. In the T-range 600°C-900°C and for ThSiO4 = 50 mole %, thorite is additionally formed indicating ThSiO4 saturation within monazite at these conditions. At 1000°C, only monazite and a small amount of xenotime crystallised. No thorite was observed. (2) The healing of radiation damage in a natural and chemically homogeneous concordant (474±1 Ma) monazite has been experimentally investigated (500-1200°C/~7days). XRD, TEM, Raman microprobe and Cathodoluminescence analysis were performed. The unheated monazite has a mosaic structure consisting of two domains corresponding to two monazite crystals with different lattice parameters. (A) domains correspond to well-crystallised areas where He atoms are trapped, thus inducing their lattice expansion. (B) domains are interpreted to exhibit a He-free distorted monazite crystal lattice which can be referred to old alpha-recoil tracks. With increasing temperature, He diffuses out of the monazite lattice, thus inducing its relaxation. Additionally, the nm-sized defect domains (B) are getting healed. The complete healing is achieved at 900°C after 7 days. (3) In order to investigate the influence of fluid composition and temperature on resetting, abraded fragments (200-400 µm) from monazite used in (2) were experimentally treated (800-1000°C/14-39 days) within solutions of different compositions (H2O up to 1200°C/5 days, NaCl, SrCl2 CaCl2-fluids and a Pb-spike-fluid). Products were analysed using SEM, EMP, SIMS and ID-TIMS. For all runs, EMP traverses revealed no Pb-diffusion profiles. Significant overgrowths of newly formed monazite occurred only in the 1000°C experiments when either CaCl2 or Pb-bearing fluids were present. For CaCl2, inherited core and newly formed Ca-rich and Pb-free monazite rim were produced by dissolution/precipitation. Significant discordancy was only observed when grains were treated with SrCl2 (16%) and CaCl2 (68%) solutions at 1000°C. Finally, experiments performed in the presence of Pb-standard produced sub-concordant monazite with a 207Pb/206Pb apparent age older than prior to the experiment indicating Pb-contamination by the fluid

Fracturation induite par le gonflement d'une allanite radioactive géante

Fracturation radiale autour d'un cristal géant d'allanite (20 cm de diamètre) d'une pegmatite de Norvège. Le gonflement de ce minéral qui résulte de son amorphisation liée à son auto-irradiation (désintégration de U et Th), provoque une fracturation à l'échelle macroscopique. Etude en collaboration avec B.Bingen (NGU-Trondheim, Norvège

LES EFFETS DE L'IRRADIATION DANS LES MINERAUX ET LEURS CONSEQUENCES EN GEOCHRONOLOGIE.

Le but de ce mémoire n'est pas de faire une présentation exhaustive de toutes mes activités de recherche mais d'essayer de cibler celles qui à la fois me correspondent le mieux, celles qui me tiennent le plus à cœur, parmi les activités de recherche que j'ai menées depuis que je suis partie de Potsdam (thèse). Je présenterai donc dans une première partie une synthèse de mes travaux sur les effets de l'irradiation, liée à la radioactivité, intra-ou inter-minéraux, naturelle ou artificielle. Je donnerai ensuite des exemples d'études ciblées sur des processus (diffusion, altération) dont la cinétique peut être considérablement accrues par les effets de la radioactivité. Dans une troisième partie je détaillerai un exemple particulier d'effet d'irradiation, celle induite par un faisceau laser femtoseconde et je terminerai sur des perspectives à plus ou moins long terme, ciblées sur les interactions entre les minéraux radioactifs (ou minéraux irradiés) et les fluides et les conséquences sur le signal géochronologique

Coupe FIB en bordure d'un cratère d'ablation laser femtoseconde

Image en électrons secondaires au MEB d'une découpe FIB (Focused Ion Beam) réalisée en bordure d'un cratère d'ablation laser femtoseconde. Etude en collaboration avec R. Wirth (GFZ-Potsdam, Allemagne

Zonations chimiques dans un zircon

Image en électrons rétrodiffusés au MEB de zonations chimiques dans un zircon de Norvège. Etude en collaboration avec B.Bingen (NGU, Trondheim, Norvège