La datation absolue

(1 semaine)
La datation absolue
Introduction :
La chronologie absolue permet de dater en milliards, en millions ou en milliers d'années le moment où
a eu lieu un phénomène géologique par rapport à la période actuelle.
Comment mesurer un âge absolu ?
1 Les isotopes radioactifs permettent de mesurer l'âge absolu.
Le rapport isotopique des éléments pères (radioactifs) et des éléments fils (radiogéniques) permet de
calculer la durée écoulée depuis la formation du minéral ou de la roche à condition qu'il n'y a eu ni
apport ni départ d'isotopes depuis la fermeture du système.
N = N0 . e-λt
Ce phénomène peut être écrit sous la forme :
ou
F / P = eλt – 1
La demi-vie (période) correspond au temps nécessaire à la
diminution de moitié de la quantité d'élément père et λ est la
constante de désintégration de l'élément père (cela signifie que si
un minéral contient P noyaux radioactifs, alors, l'année suivante
il contiendra P · λ noyaux radioactifs en moins).
Avec : λ = ln 2 / T1/2
La chronologie absolue est fondée sur la décroissance radioactive de certains éléments
chimiques : elle exploite la relation qui existe entre rapports isotopiques et durée écoulée
depuis la “ fermeture du système ” contenant les isotopes.
La fermeture du système dans le cas des roches magmatiques est due à l'abaissement de la
température en dessous d'un certain seuil.
Les radio-chronomètres sont choisis en fonction de la période de temps que l’on cherche à
explorer. Lorsque tous les éléments radioactifs ont disparu de l’échantillon, la datation n’est
plus possible (notamment au delà de 10 demi-vie).
TP : La datation absolue.
2 Datation à l'échelle de l'espèce humaine.
2.1 Principes de la méthode au
C.
14
Le 14C est produit dans la haute atmosphère sous l'action des rayons cosmiques sur 14N. On considère
que le rapport 14C / 12C est constant dans l'atmosphère ainsi que dans les êtres vivants jusqu'à leur mort.
À la mort des êtres vivants, le rapport 14C / 12C diminue (14C redevient progressivement 14N).
Les isotopes du carbone sont intégrés dans le CO2 atmosphérique, puis dans les molécules organiques
via la photosynthèse : le système est alors fermé.
2.2 Loi de désintégration radioactive et méthode au
C.
14
- λt
On dispose de l'équation suivante :
N = N0 . e
Soit :
(14C /
12
C)mesuré = (14C /
12
C)initial . e-λt
Pour le (14C / 12C)initial, on considère que les condition de formation de
donc, à la fermeture du système 14C / 12C était le même qu'actuellement.
1
14
C n'ont pas changé,
2.3 Limites de la méthode au
C.
14
Avec T1/2 = 5730 ans, on n'utilise pas le 14C au delà de 50000 ans (35000 ans pour une bonne
précision). Au delà, la quantité de 14C devient trop faible pour une fiabilité suffisante de la mesure.
Le
14
C n'est utilisable que sur des restes d'êtres vivants.
2.4 Conclusion.
Pour les derniers millénaires on utilise le carbone 14 (14C) dont la quantité lors de la
fermeture du système est connue. La mesure de la quantité de 14C restante dans l’échantillon
permet de trouver un âge.
La datation au
14
C est-elle fiable ?
Exercice 2 page 183
Il est nécessaire de calibrer la datation au
14
C grâce aux données de la dendrochronologie.
Comment dater des évènements plus anciens ?
3 Datation à l'échelle des temps géologiques.
3.1 Datation des homininés et des roches relativement récentes.
On utilise le couple potassium-argon (K-Ar) :
●
Principe.
Les minéraux des roches magmatiques qui contiennent du potassium comme les feldspaths,
incorporent également l'isotope radioactif 40K qui se désintégrera ensuite en 40Ar stable.
●
Loi de désintégration radioactive et datation K-Ar.
On ne connaît pas la quantité initiale de
40
K, donc on utilise la relation suivante :
F / P = eλt – 1
Attention :
40
K se désintègre
40
Ar (10,5%) et en
On dispose donc de l'équation suivante :
●
40
Ca (89,5%).
(40Ar /
40
K)mesuré = 0,105 . (eλt – 1)
Limites de la méthode au K-Ar.
Avec T1/2 = 1,25 . 109 années.
Cette méthode permet de dater des roches de quelques millions d'années à quelques centaines de
millions d'années, mais une contamination par l'argon atmosphérique lors de la mesure peut rendre la
méthode peu fiable.
Cette méthode n'est utilisable que sur les roches magmatiques, notamment les roches volcaniques
(exemple : datation des empreintes de pas de Laetoli dans des tufs volcaniques page 56).
●
Conclusion.
La quantité initiale en 40K lors de la fermeture du système étant négligeable, la
contamination par l’argon de l’atmosphère rend difficile la détection de l’argon issu de la
désintégration du potassium avant que la roche ait atteint un certain âge.
3.2 Datation des roches plus anciennes.
On utilise le couple rubidium-strontium (Rb-Sr) :
●
87
Principe.
Lors de la formation d'une roche magmatique, les minéraux incorporent du
Sr.
On ignore la quantité de
la roche.
●
87
Rb piégée initialement dans la roche. De plus,
87
87
Rb qui se désintègre en
Sr est également piégé dans
Loi de désintégration radioactive et datation Rb-Sr.
On contourne cette difficulté en mesurant les rapport isotopiques de plusieurs minéraux de la roche.
On dispose alors de l'équation suivante : (87Sr /
86
Sr)mesuré = (87Rb /
2
86
Sr)mesuré . (eλt – 1) + (87Sr /
86
Sr)initial
On trace donc la droite isochrone
86
λt
Sr : e
87
Sr /
86
Sr en fonction de
87
Rb /
– 1 étant la pente de la courbe tracée.
Initialement, le rapport 87Sr / 86Sr est exactement le même dans
tous les minéraux car les isotopes du strontium ont exactement le
même comportement.
En revanche, le rapport 87Rb / 86Sr varie avec les minéraux ; dans le
graphe ci-après, il augmente du minéral 1 au minéral 4 ; il en résulte
qu'initialement les points représentatifs
des minéraux
se
répartissaient sur une ligne horizontale, parallèle à l'axe des abscisses
et d'ordonnée 87Sr / 86Sr initial.
Au fur et à mesure que le temps s'écoule, le rapport 87Sr / 86Sr
augmente dans chaque minéral par suite de la désintégration
d'atomes 87Rb en 87Sr, et ce d'autant plus que le minéral était
87
initialement riche en Rb ; inversement, le rapport 87Rb / 86Sr diminue dans chaque minéral. Plus le
temps écoulé est grand et plus la différence dans les rapports 87Sr / 86Sr s'accentue, d'où l'augmentation
de la pente.
Remarque : si les minéraux sont situés sur la même droite isochrone, cela signifie qu'ils ont cristallisé
en même temps et que la fermeture du système a eu lieu au même moment.
●
Limites de la méthode au Rb-Sr.
Cette méthode permet de dater des roches magmatiques très anciennes de plusieurs milliards
d'années, et notamment d'estimer l'âge de la Terre car la demi-vie est longue : T1/2 = 48,8 . 109 années.
Cette méthode est aussi très utilisée pour la datation des granites.
●
Conclusion.
Pour trouver l’âge d’une roche avec cette méthode, il est nécessaire de mesurer les rapports
isotopiques de plusieurs minéraux de la même roche ayant cristallisé au même moment (les
quantités initiales des éléments et le moment de la fermeture du système étant inconnus).
4 Conclusion.
La chronologie absolue qui repose sur la loi de désintégration des éléments radioactifs donne accès à
l’âge des roches et des fossiles et permet ainsi de mesurer les durées des phénomènes géologiques.
La radiochronologie a ainsi permis de déterminer l'âge des objets du système solaire, et donc celui de
la formation de la Terre à partir d'éléments radioactifs contenus dans des météorites (chondrites).
Elle permet aussi de situer dans le temps l’échelle relative des temps géologiques.
Loin de s'opposer, datation absolue et datation relative sont complémentaires. Ainsi,
certains moments de la formation des chaînes de montagnes (subduction, collision) peuvent
être datés par la chronologie absolue, complétant ainsi le scénario d'ensemble établi par la
chronologie relative. La datation des Homininés fossiles fait aussi intervenir les deux
méthodes, mais seule la datation absolue permet de proposer un âge précis.
3