METHODES de DATATION

GEOCHRONOLGIE

03/01/07

Il existe deux approches de datation, la datation relative et la datation absolue. L’approche radiochronologique est absolue mais cette méthode est récente. L’approche relative utilisant notamment les fossiles est plus ancienne.

HISTORIQUE :

Le premier à s’être posé le problème de mettre des dates en géologie est Buffon en 1744, et comme il n’avait pas peur il s’est attaqué à l’age de la Terre. A partir de sa théorie selon laquelle la Terre est un fragment du soleil arraché par l’impact d’une comète, il met en œuvre une méthode expérimentale simple et astucieuse : il a mesuré le temps de refroidissement de boulets de canon de différents diamètres préalablement chauffés au blanc et extrapolé le résultat au diamètre de la Terre. Selon ses notes, il aurait trouvé des valeurs de l’ordre de 10 Ma (millions d’années) depuis que la Terre était un astre incandescent mais il n’a annoncé que 75 ka (milliers d’années) car une valeur si élevée dépassait l’entendement et non suite à une quelconque censure. Une telle valeur est en contradiction notamment avec les théologiens de la Sorbonne pour qui la création de la Terre et des éléments qui la constituent ou l’habitent remonte à 6000 ans. En 1752, Buffon doit se rétracter et il annonce de nouveau 1Ma en 1779.

Avant lui, les Egyptiens parlent déjà de cycles de grandes catastrophes tous les120 et 360 ka. Hipparque (grec –120, -120) découvrit la précession des équinoxes et calcula que la rotation de l’axe était complète en 36 ka. Aristote avance l’hypothèse que la présence de coquillages dans certaines strates montre qu’un jour, la mer recouvrait les zones concernées émergées à son époque.

Celsius en 1727 et Gessner en 1758 ont évoqué à différentes occasions qu’un age de 6000ans pour la Terre était trop court pour expliquer le niveau de certaines plages en Finlande ou le temps pour que les Apennins se soulèvent jusqu’à leur altitude actuelle. L’abbé Soulavie (un ardéchois) estime que 6000ans n’étaient pas suffisants pour expliquer le creusement de certaines rivières de son pays. Ils évoquent des ages de l’ordre d’1 Ma.

Le Danois Sténon (1638 1686) montre que les glossopètres aux vertus miraculeuses sont des dents de requins fossilisées et que les fossiles sont les restes d’animaux vivants qui se sont transformés par pétrification au sein des sédiments. Il jette les principes de la notion de strates en tant qu’unité de temps géologique.

Lamarck (1744-1829) fut le premier à défendre la théorie de l’évolution sans être capable d’en décrire le moteur. Cuvier (1769-1832) est à l’origine de l’anatomie et de la paléontologie comparées, il démontre l’existence des extinctions d’espèces ce qui autorise l’utilisation des fossiles pour les datations. Avec Brongniart ils sont les premiers à reconnaître la succession de strates par les fossiles qu’ils contiennent et à comparer des strates géographiquement éloignées par les fossiles qu’elles contiennent.

D’Orbigny (1802 1857) assure la description et le classement de nombreux fossiles, crée la micro paléontologie et fait la description de 20 stratotypes.

Kelvin 1824-1907 calcule thermodynamiquement un age de 50 ka en l’absence de toute source interne.

Au XIX^éme siècle, établissement de la première échelle stratigraphique.

En 1896, Becquerel découvre la radioactivité puis Rutherford met au point la méthode de calcul par mesure de l’⁴He produit par la désintégration de U et Ra et donne un premier age de la Terre à 400 Ma. De nombreuses mesures ont suivi et en 1929 un consensus entre les scientifiques se fait autour d’un age de la Terre de plusieurs Ga pour un age maximum des temps fossilifères de 500 Ma. En 1955, Patterson annonce 4,5 Ga pour l’age de la Terre.

Bizarrerie, la géologie a précédé l’astronomie dans la prise en compte du temps dans ses observations ( W Herschel en 1814) alors que la vitesse de la lumière est connue depuis 1676.

DATATIONS RELATIVES

Ces méthodes permettent de définir l’enchaînement des évènements sans pouvoir les caler précisément dans le temps.

Principes de base :

A – Principe de superposition :

A l’origine, les couches les plus récentes recouvrent les couches les plus anciennes.

- Principe d’évolution :

Le principe spécifiant que toutes les espèces possibles ne sont pas contemporaines est admis. Ceci signifie notamment qu’il y a eu évolution car il n’y a pas d’autre explication plausible. Cette évolution ne va pas nécessairement du plus simple au plus complexe et la paléontologie montre quelques exemples d’organismes complexes ayant disparus avant l’apparition d’autres organismes beaucoup plus simples. Une espèce animale ne vit qu’une seule fois, elle est donc caractéristique d’une époque.

- Principe d’actualisme :

Les lois scientifiques (biologie, physique, chimie) que nous découvrons aujourd’hui étaient valables autrefois. Ceci permet de faire la comparaison entre les fossiles que l’on trouve et les organismes actuels. Par exemple, les céphalopodes connus aujourd’hui sont des animaux marins, les fossiles de céphalopodes que l’on retrouve sont donc ceux d’animaux marins.

- Principe de continuité: (constitue avec le principe précédent le principe d’universalisme)

Les lois physiques sont les mêmes partout, sur Terre comme dans l’espace. Ceci signifie que deux couches géologiques éloignées de la Terre qui contiennent les mêmes fossiles ont le même age. Ceci est vrai en géologie parce que les ages s’expriment en Ma et que l’on peut négliger les temps de transmission qui s’expriment en ka ou 10ka: Cro Magnon est apparu en Afrique il y a 100ka et a colonisé l’Europe occidentale en 40ka.

B – Principe de recoupement :

Un événement géologique est plus jeune que les couches géologiques qu’ils recoupent.

C – Principe d’inclusion :

Le contenu est plus vieux que le contenant. Dans les conglomérats, les galets sont plus vieux que le liant, l’age du conglomérat est celui de son ciment.

Une remontée magmatique est un recoupement et non une inclusion.

Quelques exemples :

Les olistolites de la faille d’Ornon (Chalp de Chantelouve) sont un bon exemple d’application du principe d’inclusion. On n’est pas en présence d’un éboulement post glaciaire car les blocs triasiques sont inclus dans le jurassique (datation du toarcien par des ammonites). La faille a donc joué au jurassique lors du rifting alpin.

Paléontologie.

Les organismes s’adaptent aux évolutions de l’environnement sinon ils disparaissent.

Espèces : types d’animaux ou de végétaux présentant des caractéristiques communes et pouvant se reproduire entre eux. Cette définition convient aux biologistes mais elle n’est pas applicable avec les restes durs d’animaux disparus d’où une adaptation de cette définition pour la paléontologie.

Toutes les ammonites appartiennent à la même famille mais la famille ammonite n’est pas un bon marqueur car les ammonites ont vécu durant tout le secondaire, de même que les trilobites au primaire.

Pour avoir une meilleure précision il faut descendre au niveau des espèces et des genres. Deux ammonites appartiennent à la même espèce si elles présentent les mêmes caractéristiques morphologiques : modes d’enroulement, cavités, forme, ligne de suture, ornements... Les ammonites sont très diversifiées (10000) et une espèce n’a existé que pendant un temps limité (5Ma max), elles sont donc très intéressantes en datation relative pour le mésozoïque. La précision est telle qu’elle est parfois plus fine que celle des ages géologiques: on parle alors d’horizon (une strate d’Hauterivien dans l’horizon de telle ammonite).

Les fossiles permettent la datation mais il faut aussi noter que certains fossiles sont de très bons marqueurs pour les conditions de l’environnement, certains d’entre eux intéressent tout particulièrement les pétroliers.

Il existe deux types de spécialistes qui sont sollicités pour les datations par les fossiles :

- Les spécialistes dans la détermination des fossiles (espèce en voie de disparition). Les éléments de fossiles trouvés leur sont envoyés et ils sont les mieux placés pour identifier très précisément la bête qui va avec.

- Les spécialistes des tranches de temps : ils savent très précisément tous les fossiles que l’on peut trouver ou que l’on ne doit pas trouver dans une tranche de temps donnée.

D’une manière générale, les coquillages sont peu intéressants pour les datations car ils existaient au primaire et certains existent encore aujourd’hui.

Pour mémoire, les faciès ne sont pas représentatifs d’une période : les calcaires du Fontanil sont du Berriasien dans le Jura et du Valanginien aux environs de Grenoble, ceci est dû à une diminution de la profondeur de la mer qui s’est propagée depuis le Jura vers le Dauphiné.

DATATIONS fines pour le QUATERNAIRE.

Différentes méthodes existent :

- thermoluminescence (datation absolue)

- paléomagnétisme,

- Palynologie (étude des pollens). C’est une méthode très précise en temps et en conditions d’environnement.

- ¹⁴C. Plus utilisé en archéologie qu’en géologie. La méthode est absolue mais elle a longtemps posé problème car la teneur en ¹⁴C dans l’atmosphère a varié dans le temps et connaître cette valeur est nécessaire pour effectuer le calcul. Cette méthode n’a vraiment été fiable qu’avec une bonne connaissance des variations de la concentration de l’atmosphère en ¹⁴C (jusqu’à 45 ka).

- Technique de taille des pierres (bifaces). Cette méthode est locale car une même technique n’a pas été utilisée partout à la même époque.

- L’art rupestre. Cette méthode est aussi locale. On distingue dans les peintures rupestres du Sahara les périodes successives : naturaliste, bovidienne, caveline, cameline. Récemment la radio datation des peintures de la grotte Chauvet a donné des résultats qui ont bouleversé la connaissance que l’on avait des peintures du magdalénien (-7, -11ka) et de l’aurignacien (-20, -35ka).

- La présence ou non de vernis sur les pierres et les peintures dans le désert peut être utilisé pour la datation. En fait, ce vernis ne peut apparaître que sous l’action de certaines bactéries qui nécessitent un climat humide, condition remplie il y a 3000 et 6000 ans.

- Dendrochronologie. Le comptage des cernes des arbres ou des alternances de couches claires et de couches sombres dans les terrains argileux au fond des lacs ou les terrains post glaciaires (varves) permettent de calculer le temps passé. Les cernes ou alternances sombres et claires n’ont pas la même épaisseur selon les saisons plus ou moins sèches: les épaisseurs peuvent donc donner une succession de couches épaisses et minces comme dans un code barre permettant des identifications de périodes ( la valeur de 11500 ans a ainsi été atteinte à partir de séquoias géants de 2000 ans et en raccordant les datations d’arbres morts grâce à ces codes barres).

Les varves glaciaires ou lacustres sont parfois difficiles à décoder : les couches sombres correspondent aux périodes ayant plus de végétation (printemps – été) mais faut-il en compter 2 ou 4 par an? Pour le lac de Paladru, il y en a 4, pour les lacs de montagne, il y en a 2.

Thermoluminescence.

La thermoluminescence est la faculté qu’ont certains matériaux à émettre de la lumière quand on les chauffe. Ce phénomène a été découvert par Sir Robert Bayle en 1663 en chauffant un diamant !! Ce phénomène a été étudié par P et M Curie (piégeage d’électrons dans des défauts cristallins sous l’effet d’un rayonnement radioactif).

Ces matériaux ( quartz, calcite, fluorine, feldspath …) qui se retrouvent dans les argiles et terres cuites accumulent de l’énergie provenant de la radioactivité à laquelle il est soumis. Un chauffage à 500°C libère cette énergie sous forme lumineuse. La difficulté est de savoir à partir de quand débute cette accumulation (savoir ce que l’on calcule).

La méthode peut se résumer ainsi :

- Chauffage à 500°C d’un échantillon en mesurant la lumière émise

- Exposition d’un échantillon identique ou du même échantillon préalablement remis à 0 (chauffage à 500°C) à des doses radioactives pour effectuer ensuite des mesures d’émission de lumière et ainsi déterminer la paléo dose.

- Mesure de la radioactivité dans l’environnement du lieu de découverte du vestige.

Cette méthode est d’une précision limitée car de nombreux paramètres entrent en compte : rayonnement cosmique, humidité du stockage, exposition à la lumière, phénomène de saturation…

Exemple:

- datation de la terre qui a été cuite à prés de 1000°C par le passage d’une coulée de lave. Un chauffage à 500°C permet de libérer l’énergie accumulée par la radioactivité ambiante. Celle ci peut être mesurée in situ et on peut soumettre un échantillon de terre préalablement chauffé (remise à zéro) à des débits de dose. Par comparaison on peut ainsi déterminer le temps écoulé depuis le passage de cette coulée.

22/01/07

PALEO MAGNETISME.

La magnétite (ferrimagnétique) perd son aimantation quand elle est chauffée au-delà de son point de Curie (578°C). Quand elle refroidit, elle retrouve son aimantation et il y a orientation des atomes de Fe dans le réseau cristallin dans la direction du champ magnétique terrestre.

Si on prend une roche ferro ou ferrimagnétique d’age connu par des fossiles ou par radio-datation (contenant par exemple des traces de magnétite, oxydes de fer ou de titane), la direction de son magnétisme donne la direction des pôles à l’époque où elle s’est refroidie au-dessous du point de Curie, à condition que la tectonique n’aie pas changé son orientation et qu’il n’y ait pas eu de réchauffement intermédiaire au-dessus du point de Curie. Si on recherche la position des pôles pour des terrains contemporains de continents différents, on trouve des positions très éloignées. Si on les fait coïncider en déplaçant les continents on retrouve un des arguments majeurs en faveur de la tectonique des plaques de Wegener en reconstituant Pangée.

On a pu reconstituer l’histoire des variations d’intensité et de direction du champ magnétique terrestre par des mesures sur les prélèvements dans les planchers océaniques. Ceci a permis de remonter jusqu’à 160Ma, age des plus vieux planchers. Pour des périodes plus anciennes, il faut avoir recours à des sédiments où des éléments détritiques ferrimagnétiques se sont orientés avant d’être piégés. Une échelle paléomagnétique a été créée et est remise à jour régulièrement. Cette histoire montre des inversions et des changements d’orientation de ce champ. La plus récente de ces inversions a été mise en évidence à Laschamp en Auvergne.

La création de l’échelle paléomagnétique a été possible parce qu’il existait des méthodes de datation autres que le paléomagnétique, mais pour des roches appartenant à une période donnée, le paléomagnétisme permet d’améliorer la précision des datations (surtout utilisé pour le quaternaire).

Il y a quatre zones principales : Bruhnes (positive), Matuyama (négative), Gauss (positive) et Gilbert (négative) sur les 4,5derniers Ma. Dans chaque période on trouve de courtes périodes de renversement (événements).

RADIOCHRONOLOGIE.

Cette méthode basée sur la radioactivité de certains isotopes des éléments chimiques a permis la datation des roches magmatiques et métamorphiques et des fossiles qui de marqueurs relatifs du temps sont devenus des marqueurs absolus.

Rutherford a été le premier à utiliser la radioactivité pour dater des roches.

Données concernant la désintégration des atomes radioactifs

Un atome d’un élément chimique X (tableau de Mendeleïev) est constitué d’un noyau entouré d’un cortège électronique, ce noyau de nombre de masse A contient Z protons (son numéro atomique Z) et A-Z neutrons, A représente donc le nombre de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau.

Notation ^A_zX

Un élément possède plusieurs isotopes lorsque le nombre de neutrons varie (z fixe, plusieurs valeurs de A).

Dire qu’un élément est radioactif, c’est dire qu’il est instable et qu’il va se désintégrer en émettant une ou plusieurs particules, de l’énergie et donner naissance à un nouvel élément appelé fils

Père (radioactif) ® fils + particules + énergie

Cette désintégration n’est pas instantanée, elle dépend du niveau d’instabilité du père, la désintégration de chaque isotope se produit selon une loi exponentielle caractérisée par la période T : T est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes d’un corps radioactif se soit désintégrée, elle peut prendre selon les isotopes des valeurs allant du milliard d’années jusqu’à des milliardièmes de secondes.

N = N₀ e^-^lt avec l = ln 2 / T

N est le nombre d’atomes radioactif à l’instant t, N₀ le nombre d’atomes radioactifs à l’instant initial.

Les isotopes d’un même élément chimique ont tous les mêmes propriétés chimiques, pour les mesurer ou les identifier, les géologues utilisent principalement le spectromètre de masse qui identifie les atomes par leur masse.

Datation par mesure de la radioactivité.

Il y a plusieurs origines possibles aux radioéléments que l’on trouve dans la nature. Avant la formation du soleil, l’explosion d’une super novæ à proximité du nuage primordial a fourni à ce nuage tous les éléments de numéro atomique supérieur à celui du Fe, seuls les éléments radioactifs ayant des périodes très longues existent encore comme l’U ou le Th. Les éléments à périodes plus courtes n’existent plus mais on retrouve les éléments fils. L’autre source d’éléments radioactifs sont les rayons cosmiques, ils sont à l’origine de la production d’éléments à plus courte période comme ¹⁴C, ¹⁰Be.

La méthode consiste à mesurer la radioactivité actuelle pour avoir une date, la difficulté que rencontre les géologues est alors de savoir ce que représente cette date. Différentes méthodes de datations ont été développées, chaque méthode étant adaptée pour un type de mesure avec une détermination justifiée de la concentration initiale en élément père ou fils.

Principales méthodes utilisées.

père	constante (a^-1)	fils	utilisation
²³⁸U	1,5 10^-10	²⁰⁶Pb	minerais d'U, zircons	méthodes de référence pour longues périodes
²³⁵U	1 10^-11	²⁰⁷Pb
²³²Th	5 10^-11	²⁰⁸Pb
⁸⁷Rb	1 10^-11	⁸⁷Sr	biotite, muscovite, feldspaths, amphibolites, pyroxènes	⁸⁷Sr initial difficile à mettre en évidence
⁴⁰K	5 10^-10	⁴⁰Ar	biotite, muscovite, feldspaths, amphibolites, pyroxènes	il faut que Ar produit soit resté piégé - métamorphisme
¹⁴C	1,2 10^-4	¹⁴N	archéologie	courbe du ¹⁴C durant les dernières 45000 années

La datation au ¹⁴C est utilisée pour les matériaux ayant eu un échange d’air donc de CO₂ avec l’atmosphère dans des 45000ans passés. Comme l’élément fils est de l’azote, il est impossible de le séparer de l’azote atmosphérique, la connaissance de la concentration en ¹⁴C dans l’atmosphère à l’époque considérée est nécessaire. Cette valeur a varié en fonction notamment du champ magnétique terrestre, des éruptions volcaniques, des courants marins. Une courbe de référence a été établie en effectuant des mesures sur des éléments datés par une autre méthode (cernes des arbres, varves lacustres).

Les autres méthodes utilisent la mesure de la quantité d’atomes pères et fils, le rapport entre les concentrations permet de ne garder qu’un seul paramètre à fixer pour pouvoir effectuer la datation : la concentration initiale en atomes fils. Dans la plupart des cas, les mesures se font sur des roches dont on peut justifier que l’abondance isotopique initiale de l’élément fils est négligeable (systèmes riches). Autrement, il faut trouver une méthode pour estimer l’abondance initiale de cet isotope radiogénique.

Pour savoir ce que l’on a mesuré, il faut une bonne connaissance initiale du contexte. Par exemple, la datation de calcaires argileux du lias des environs de Bourg d’Oisans a confirmé 180Ma. Une mesure faite sur les mêmes calcaires avec du K Ar a donné un age de 15Ma : la mesure était bonne mais la méthode utilisée ne donnait l’age de la création de ces calcaires mais la dernière transformation de recristallinité de ces calcaires lors du serrage dû à l’orogenèse alpine. Lors de ce serrage, il y a eu apparition de schistosité qui a libéré l’⁴⁰Ar gazeux qui était piégé dans les calcaires argileux.

De la même manière, des roches du massif de Belledonne donnent un age de 400 à 500Ma avec une méthode Pb total (age de la roche qui est hercynienne voire plus ancienne) et de 20 à 40Ma avec une autre méthode (⁸⁷Rb/⁸⁷Sr ??) qui correspondent au métamorphisme de l’orogenèse alpine.

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