Principes et méthodes de la datation absolue en géologie⚓
Laboratoire de carbone 14 à l'UCAD.
La photographie ci-dessus représente le Professeur Cheikh Anta DIOP dans son laboratoire de datation au carbone 14, à l'Université qui porte son nom à Dakar.
Introduction
La datation absolue, encore appelée radiochronologie, comporte un ensemble de méthodes aboutissant à des résultats chronologiques précis, exprimés en années. Elle permet de situer dans le temps et de façon précise des événements et des objets. Ainsi la datation absolue vient en complément à la datation relative. Pour comprendre la datation absolue il est indispensable de connaître ses différentes méthodes, les principes sur lesquels elles se fondent , mais aussi les limites qui les caractérisent.
Activité d'acquisition en Sciences Physiques sur la radioactivité.⚓
Rappel : Qu'est-ce que la radioactivité ?
En Sciences physiques des activités d'apprentissages sont développées sur les notions de radioactivité, d'activité radioactive, de décroissance radioactive et de période ou demi-vie. La maîtrise de toutes ces notions, entre autres, contribue à la compréhension des méthodes de datation absolue ou radiochronologie.
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Définition de la radioactivité
Qu'est-ce que le phénomène de la radioactivité ? Jouez avec les mots et expressions
Après avoir sélectionné chacune des quatre couleurs de votre marqueur, surlignez les mots ou groupes de mots pertinents en rapport avec : la nature de la radioactivité, l'origine de la radioactivité, les conséquences sanitaires de la radioactivité, les conséquences de la radioactivité sur les roches.
Votre réponse :
La radioactivité est un phénomène physique naturellement présent dans l'Univers. Elle est due à la désintégration de noyaux atomiques instables et qui entraîne un dégagement des rayonnements divers plus ou moins pathogènes
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Réponse attendue :
La radioactivité est un phénomène physique naturellement présent dans l'Univers. Elle est due à la désintégration de noyaux atomiques instables et qui entraîne un dégagement des rayonnements divers plus ou moins pathogènes
.
Jouez un peu avec les mots et les expressions
Nature de la radioactivité : c'est un phénomène physique naturellement présent dans l'Univers.
Origine de la radioactivité : elle est due à la désintégration de noyaux atomiques instables.
Conséquences sanitaires de la radioactivité : la désintégration des noyaux instables entraîne le dégagement de rayonnements divers plus ou moins pathogènes.
Conséquences de la radioactivité sur les roches : les noyaux atomiques instables qui se désintègrent dégagent des rayonnements divers.
Définition : Définition de la radioactivité
La radioactivité est le phénomène physique par lequel des noyaux atomiques instables (dits radionucléides ou radioisotopes) se transforment spontanément en d'autres atomes (désintégration) en émettant simultanément des particules de matière (électrons, noyaux d'hélium, neutrons, etc.) et de l'énergie (photons et énergie cinétique).
Exemple : Le carbone 14
Origine et évolution du carbone 14 ou radiocarbone.
Le radiocarbone naturel circule dans trois réservoirs : l'atmosphère, les océans et la biosphère.
Avec une période radioactive de 5 730 ans, le radiocarbone aurait depuis longtemps disparu de la biosphère s'il n'était produit en permanence.
En effet, dans la haute atmosphère, des réactions nucléaires initiées par le rayonnement cosmique, produisent un flux de neutrons libres. Après avoir été ralentis par collision avec les molécules de l'air, les neutrons dans une certaine gamme d'énergie cinétique réagissent avec l'azote pour former du radiocarbone, selon la relation qui suit :
L'azote 14 (14N) donne Le carbone 14(14C) |
Cette réaction est privilégiée du fait que l'azote constitue 78,11 % de l'atmosphère de la Terre. C'est entre 15 000 et 18 000 mètres, à des latitudes géomagnétiques élevées, que la production de radiocarbone a principalement lieu.
L'atome de radiocarbone ainsi produit réagit rapidement avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone.
Ce gaz circule dans toute l'atmosphère et se dissout dans les océans pour former des carbonates. Du radiocarbone circule donc aussi dans les océans.
Le dioxyde de carbone réagit également avec la biosphère. Les plantes assimilent ainsi du radiocarbone dans l'atmosphère par photosynthèse et elles sont mangées par les animaux. Les organismes marins assimilent également le radiocarbone présent dans les océans. Le radiocarbone se répand donc dans la biosphère tout au long de la chaîne alimentaire.
Le rapport 14C/Ctotal est considéré comme uniforme dans l'atmosphère, la surface des océans et la biosphère en raison des échanges permanents entre les organismes vivants et leur milieu.
De plus, on suppose que le flux de rayons cosmiques est constant sur une longue période de temps (première approximation). Par conséquent, le taux de production du radiocarbone est constant, donc le rapport 14C/Ctotal dans l'atmosphère, la surface des océans et la biosphère est constant (le nombre d'atomes produits égale le nombre d'atomes qui se désintègrent).
À la mort d'un organisme, tout échange avec le milieu extérieur cesse mais le radiocarbone initialement présent reste « piégé » et sa quantité se met à décroître exponentiellement selon le processus de la décroissance radioactive, ce qui permet de savoir depuis combien de temps l'organisme est mort. Voir cours de mathématiques sur : La décroissance radioactive
Rappel : Rappel historique sur la radioactivité
La radioactivité a été découverte en 1896 par Henri Becquerel dans le cas de l'uranium, et très vite confirmée par Pierre et Marie Curie pour le radium. C'est cette dernière qui introduit à cette occasion les termes de radioactivité et radioélément.
source : Wikipédia
Complément : Relation entre radioactivité et âge des roches : l'équation différentielle
Voir cours de mathématiques sur l'équation différentielle et la radioactivité
Activité d'acquisition en mathématiques sur le calcul différentiel, l'équation différentielle et la fonction exponentielle.⚓
Rappel : Notions supposées acquises en sciences physiques
En Sciences physiques des activités d'apprentissages sont développées sur les notions de radioactivité, d'activité radioactive, de décroissance radioactive et de période ou demi-vie. La maîtrise de toutes ces notions, entre autres, contribue à la compréhension des méthodes de datation absolue ou radiochronologie.
Qu'est-ce que le calcul différentiel ?
En mathématiques, le calcul différentiel est un sous-domaine du calcul qui étudie les taux auxquels les quantités changent. C'est l'une des deux divisions traditionnelles du calcul, l'autre étant le calcul intégral - l'étude de l'aire sous une courbe.
Les principaux objets d'étude en calcul différentiel sont la dérivée d'une fonction, des notions connexes telles que le différentiel et leurs applications.
La dérivée d'une fonction à une valeur d'entrée choisie décrit le taux de changement de la fonction près de cette valeur d'entrée. Le processus de recherche d'une dérivée s'appelle la différenciation. Géométriquement, la dérivée en un point est la pente de la ligne tangente au graphique de la fonction en ce point, à condition que la dérivée existe et soit définie à ce point. Pour une fonction à valeur réelle d'une seule variable réelle, la dérivée d'une fonction en un point détermine généralement la meilleure approximation linéaire de la fonction en ce point.
Le calcul différentiel et le calcul intégral sont reliés par le théorème fondamental du calcul, qui stipule que la différenciation est le processus inverse de l'intégration.
Qu'est-ce que l'équation différentielle ?
Une équation différentielle, est une équation liant les différentes dérivées d'une fonction y. En physique, on s'intéressera tout particulièrement aux dérivées temporelles (dy/dt). Une équation différentielle est dite du « premier ordre » si elle ne contient que la dérivée première de y (y'). Pour aller plus loin cliquez sur : équation différentielle
Qu'est-ce la fonction exponentielle ?
Visionnez la vidéo suivante en cliquant sur le lien : Définition de la fonction exponentielle.
Pour aller plus loin cliquez sur : Fonction exponentielle
Qu'est-ce que la loi de décroissance radioactive ?
Visionnez la vidéo suivante pour en déduire la loi de décroissance radioactive.
Activité d'intégration en SVT pour déterminer l'âge des roches⚓
Rappel : La datation absolue
Qu'est-ce que la datation absolue ?
La datation absolue est une datation aboutissant à un résultat chiffré, exprimé en années. Elle peut concerner un événement, un objet, une couche géologique ou un niveau archéologique. Ce type de datation vient en complément à la datation relative.
Le plus souvent, les méthodes de datation absolue utilisent des phénomènes de transformations physico-chimiques dont la vitesse est connue : la mesure du degré de transformation permet de dater le début du processus considéré. Les méthodes de datation absolue peuvent être classées en quatre groupes principaux, selon qu'elles se basent sur la décroissance radioactive, les défauts cristallins, la diffusion chimique ou la cyclicité de certains phénomènes. source : Wikipédia
Ici seules quelques méthodes basées sur la décroissance radioactive sont étudiées.
On distingue les méthodes directes des méthodes isochrones. Les premières sont ainsi qualifiées car on y applique directement la loi fondamentale de la radioactivité reliant l'activité au nombre d'atomes radioactifs initialement présents, qui donne directement accès à l'âge. Ce type de méthode nécessite de connaître l'abondance initiale de l'isotope utilisé, ce qui n'est possible que rarement. Les méthodes isochrones visent à éliminer cette inconnue par divers raisonnements propres à la géochimie.
source : Wikipédia
Le principe fondamental réside dans la loi de décroissance radioactive. Cependant quelques variantes existent selon les méthodes concernées, les isotopes utilisés et leurs caractéristiques.
QUELS SONT LES PRINCIPES ET MÉTHODES DE LA DATATION ABSOLUE ?
Méthode : Méthode de datation au carbone 14
Le carbone 14 ou radiocarbone est un isotope radioactif du carbone dont la période radioactive (ou demi-vie) est égale à 5 734 ± 40 ans selon des calculs relevant de la physique des particules datant de 1961. Cependant, pour les datations on continue par convention d'employer la valeur évaluée en 1951, de 5 568 ± 30 ans.
En première approche, on peut considérer que tant qu'une plante ou un animal est vivant, son organisme échange du carbone avec son environnement, si bien que le carbone qu'il contient aura la même proportion de 14C (carbone 14) que dans la biosphère. Lorsque l'organisme meurt, il ne reçoit plus de 14C et celui qu'il contient va se désintégrer peu à peu.
En deuxième approche, on considère qu'à cause du fractionnement isotopique survenant lors de la photosynthèse, le rapport isotopique 14C/12C de l'organisme est inférieur de quelques pour cent à celui de la biosphère. Durant sa vie, la proportion de 14C présent dans l'organisme par rapport au carbone total (12C, 13C et 14C) est donc aisément rapportable à celle existant dans l'atmosphère du moment.
La datation par le carbone 14 se fonde ainsi sur la présence dans tout organisme de radiocarbone en infime proportion (de l'ordre de 10−12 pour le rapport 14C/Ctotal).
À partir de l'instant où un organisme meurt, la quantité de radiocarbone qu'il contient ainsi que son activité radiologique décroissent au cours du temps selon une loi exponentielle. Un échantillon de matière organique issu de cet organisme peut donc être daté en mesurant, soit le rapport 14C/Ctotal avec un spectromètre de masse, soit son activité X années après la mort de l'organisme.
Méthode : Méthode de datation uranium-plomb
Principe de la datation par l'uranium-plomb
L'élément uranium possède deux isotopes radioactifs à longue vie : l'uranium 235 et l'uranium 238. Chacun de ces deux isotopes se désintègre par étapes successives et est à l'origine de familles radioactives dont le dernier isotope stable est un isotope du plomb.
Ainsi 235U donne 207Pb et 238U donne 206Pb.
En supposant que le système est resté fermé, on peut considérer que la quantité de plomb 206 présent actuellement dans la roche (206Pb(actuel)) est la somme du plomb présent à l'origine (206Pb(0)) et du plomb 206 (206Pb(radiogénique)) produit par la désintégration radioactive de l''uranium 238.
De la même façon, le système étant supposé fermé, on peut considérer que la quantité de plomb 207 présent actuellement dans la roche (207Pb(actuel)) est la somme du plomb présent à l'origine (207Pb(0)) et du plomb 207 (207Pb(radiogénique)) produit par la désintégration radioactive de l''uranium 235.
En déterminant la valeur du rapport isotopique (207Pb/206Pb)radiogénique on peut estimer directement le temps écoulé depuis la fermeture du système.
Méthode : Méthode de datation potassium-argon
La méthode de datation K-Ar s'applique à une roche provenant de la solidification d'un magma entièrement dégazé, et repose sur l'hypothèse que cette roche ne contenait pas d'argon au moment de sa formation.
Une datation de la roche est possible quand l'un des minéraux la constituant contient du potassium, et que le minéral a piégé la totalité de l'argon formé lors de la désintégration du 40K.
Les minéraux sont alors datés en mesurant les concentrations de 40K et de 40Ar accumulés. Le dosage de 40K et de 40Ar nécessite l'emploi de techniques raffinées de spectrométrie de masse mises en œuvre dans des laboratoires spécialisés.
La période radioactive du 40K est de 1,25 milliard d'années ; la méthode permet ainsi de dater des roches couvrant la quasi-totalité des âges géologiques avec une bonne précision.
Les minéraux les mieux adaptés à cette méthode sont la biotite, la muscovite et les feldspaths. La datation par le potassium-argon permet de dater les minéraux des roches métamorphiques et des roches volcaniques. Elle est particulièrement précieuse en archéologie préhistorique, notamment en Afrique de l'Est où les niveaux de cendres volcaniques sont fréquents dans les sites archéologiques.
Méthode : Méthode de datation Rubidium-strontium
La datation par le rubidium-strontium est une technique de datation de la formation d'une roche basée sur la mesure de la présence du rubidium et de strontium dans la roche.
Le rubidium (Rb) et le strontium (Sr) sont deux éléments chimiques existant le plus souvent à l'état de traces dans les roches. Ils se substituent en partie au potassium pour le rubidium et au calcium pour le strontium. Ainsi les minéraux riches en potassium sont généralement riches en rubidium et ceux riches en calcium présentent souvent des teneurs élevées en strontium.
Ces deux éléments existent dans la nature sous la forme de plusieurs isotopes, deux pour le rubidium, 85Rb et 87Rb et quatre pour le strontium, 84Sr, 86Sr , 87Sr et 88Sr. Seul l'un d'entre eux, le 87Rb, est radioactif. Il se désintègre en 87Sr qui, lui, est un isotope stable du strontium comme le sont, d'ailleurs, les trois autres.
87Rb et 87Sr sont deux isobares, c'est-à-dire deux espèces atomiques ayant le même nombre de masse mais différant par leurs nombres de protons. Cela pose un problème en spectrométrie de masse car les spectromètres de masse utilisés pour la mesure des rapports isotopiques du Sr ont généralement une faible résolution (300-400), ce qui ne permet pas de séparer 87Rb de 87Sr. Il est donc indispensable de séparer les deux éléments avant la mesure au spectromètre de masse. Il est généralement nécessaire de dissoudre les échantillons afin de procéder à la séparation du rubidium et du strontium par chromatographie ionique.