Les méthodes de radiochronologie (PDS4)

Voici le plan de Julie

Chronos = le temps. Le temps est un paramètre important en géologie puisqu’il permet une chronologie des événements. Ainsi depuis toujours les géologues ont cherché à dater, classer de façon chronologiques les différents événements qui ont affectés la Terre, et ce avant même sa formation.
Les premières méthodes de datations ont permis de placer les événements les uns par rapport aux autres ; datation relative, comme la stratigraphie (étude des couches, de leur contenu et agenncement).qui a notamment permis de définir l’échelle stratigraphique. Cependant ces méthodes manquent de précision, elles ne donnent pas un chiffre. Ainsi au début du siècle, avec la radiochronologie, le géologue va pouvoir donner des âges plus ou moins précis aux évènements, dater les roches azoïques et cristallines (jusqu’alors c’est formation ne pouvaient être placées que par les méthodes de datation relatives : recoupement etc.) On parle alors de datation absolue.
Les méthodes de radiochronologie reposent sur l’utilisation des isotopes radioactifs. En effet, chaque éléments chimique est caractérisé par son nombre d’électrons Z, mais un même élément présente des isotopes qui diffèrent par leur nombre de neutrons N (= leur masse) [faire « schéma » avec un élément E] (=> tu peux prendre un élément quelconque, pourquoi pas un élément non radioactif, justement pour montrer que tous les isotopes ne sont pas radioactifs, non ?

Il existe une grande diversité d’isotopes radioactifs qui présentent tous des propriétés différentes, d’où des méthodes radiochronologiques plus ou moins précises.

Quelles sont les méthodes de radiochronologie, leurs intérêts et limites dans leur application ?

I.Des méthodes basées sur la désintégration.
En s’appuyant sur les formules mathématiques et un élément X théorique.

A.La désintégration de l’élément père.
Chaque élément radioactif est caractérisé par sa constante de désintégration (= coefficient de proportionnalité de désintégration en fonction du temps). La désintégration est un phénomène irréversible.
Démonstration rapide pour aboutir à dX= -λX.dT (ou, X=Xo.e-λt ) (= loi de Curie-Rutherford-Soddy= loi CRS !) (Allègre Géologie isotopique)

+ courbe : montre la décroissance exponentielle de l’élément père.

B.La croissance de l’élément fils.
Aboutir à l’équation Y=X(eλt-1)
Courbe : montre la croissance exponentielle de l’élément fils (Y)

C.De la désintégration à l’estimation du temps.
Démonstration à partir des 2 équations ci-dessus pour aboutir à l’expression du temps.
t= 1/955; ln (Y/X +1)

Aussi période T (temps nécessaire pour diminuer de moitié, par désintégration, une quantité quelconque d’un élèment radioactif.

On peut en déduire la droite d’accumulation de l’élément fils Y=t+λ+X

La diversité des éléments radioactifs (et donc de leur période de demi vie, et de leur constante de désintégration) permet des les utiliser pour différentes échelles de temps.

II.Des méthodes pour dater le temps long.
A.Des chronomètres à longue période.
1.Les éléments aux périodes importantes.
Pour calculer le temps long on utilise des isotopes radioactifs ayant une période importante.
Par exemple le couple Rb/Sr dont T= 49Ga, on l’utilise ainsi pour dater des roches très anciennes. Exemple les gneiss d’Amitsoq au Groenland.

Le couple U/Pb. Ces éléments font parti d’une chaîne radioactive mise en évidence par Pierre et Marie Curie.

2.Mesurer la quantité de ces éléments.
On utilise pour cela le spectromètre de masse (dit « balance isotopique ») mis au point pas Aston en 1908 (il reçut d’ailleurs le prix Nobel de chimie en 1922 pour cet instrument)

Cet instrument repose sur un principe simple ; les atomes de l’élément chimique dont on veut mesurer la composition isotopique sont ionisés dans une chambre à vide. Les ions produits sont accélérés grâce à une différence de potentiel, ainsi on obtient des faisceaux d’ions constituant un courant électrique qu’on fait passer dans un champ magnétique. Ce champ magnétique dévie le courant électrique plus ou moins fort (selon le poids des éléments) ainsi il y a un tri des ions selon leur masse. En mesurant la valeur relative des courants électriques créés par chaque faisceau d’ions isolés, on mesure l’abondance relative de chaque isotope. (Allègre Géologie isotopique)

Ces éléments présentent des périodes de longues durée ce qui leur permet de dater le temps long, comment ces couples sont-ils exploités ? on distingue la détermination du temps dans les « systèmes riches » et dans les « systèmes pauvres »

B.Dater les systèmes riches.
Les systèmes riches sont les minéraux dans lesquels il n’y a pas d’éléments fils lors de la formation. Ceci est le cas de nombreux minéraux facilement accessibles tels que les zircons, les biotites, présents dans la croûte continentale.

Les zircons présentent une grande affinité pour l’uranium et le thorium qu’ils vont donc concentrer sous la forme de 3 éléments pères : 238U, 235U et 232Th. Ces éléments se désintègrent pour donner du plomb (Pb) ; tout le plomb ainsi accumulé est d’origine radiogénique.

La mesures de rapports suivant : 206Pb/238U, 207Pb/235U et 208Pb/232Th permet de tracer des courbes théoriques graduées en temps pour déterminer l’âge des systèmes ou l’âge d’événements.

1.Zircons du Morton-gneiss du Minnesota.
(Allègre Géologie isotopique p82)

Utilisation les couples associant le Pb et U. les points sont réunis dans un diagramme sur une courbe théorique appelée la CONCORDIA. Les points situés sur cette courbe présentent le même âge pour les 2 chronomètres : les âges calculés sont concordants. Lorsque que l’un des deux chronomètres ne donnent plus le même âge, par exemple lors d’un événement métamorphique qui ouvre le système, on passe sur la DISCORDIA.C’est Louis Ahrens en 1954 qui remarqua cet alignement coupant la concordia en 2 points, puis Georges Wetherill a montré que l’on pouvait interpréter les points d’intersection comme étant l’âge de cristallisation des minerais d’uranium et l’âge d’une perturbation ayant affecté les minéraux et provoqué des échanges d’uranium et de plomb avec l’environnement.

2.Estimation de l’âge de la Terre.
Pour connaître l’âge de la Terre, les Hommes essayèrent de diverses manières (p207 Allègre Géologie isotopique).

Rutherford et Boltwood furent les premiers à proposer un âge radiogénique dépassant le milliard d’années. Puis Nier, en utilisant la méthode Plomb-plomb évalua cet âge à 2,5Ga.

En 1950, les progrès de la spectrométrie de masse ont permis à Patterson de mesurer l’âge grâce à la composition isotopique en plomb de météorites. Age 4,5Ga. [diagramme Pb/Pb]

C.Dater des systèmes pauvres.
Ce sont les minéraux qui au cours de leur cristallisation incorporent une partie non négligeable d’éléments fils. Il faut donc prendre en compte cette quantité d’éléments fils initiale dans l’estimation de l’âge du système.

C’est le cas, par exemple de la méthode dite Rb/Sr proposée par Louis Nicolaysen suite aux premières tentatives de Peter Jeffrey et William Compston. Lors de sa formation, le minéral incorpore du 87Rb radioactif, du 87Sr initial (non issu de la désintégration) et du 86Sr stable.

Donner les équations pour aboutir à l’équation de la droite isochrone de type ax+b
L’isochrone est la droite sur laquelle se situe des élèments ou des minéraux de même âge. La pente de l’isochrone permet des calculer l’âge de la formation de la roche ou du minéral.

La mesure d’un âge nécessite donc une mesure du rapport isotopique du Sr, une mesure des concentrations en Rb et Sr pour chaque système étudié appartenant à une série cogénétique (= issue du même phénomène de genèse)
Baser les courbes sur des exemples…

De nombreux isotopes radioactifs permettent donc de calculer des temps longs. D’autres éléments présentent des périodes beaucoup plus courtes et sont donc utilisés pour dater le temps court.

III.Des méthodes pour dater le temps court.
L’élément utilisé pour dater le temps court est le « radiocarbone », il fut utiliser la première fois en 1951 par Arnold et Libby pour dater un échantillon de bois prélevé sur la pyramide de Sakkarah.

A.L’origine du chronomètre.
Le carbone possède 3 isotopes : 12C, 13C et 14C. Le 12C représente 99% du carbone total, le 13C 1% et le 14C représente une infime partie (environ 1/1012).

L’isotope 14C utilisé comme chronomètre est produit dans la haute atmosphère. Les protons du rayonnement cosmique de l’azote (14N) de l’air réagissent pour donner du 14C et un neutron. Le 14C est ensuite incorporé dans le CO2 atmosphérique, qui sera dissous dans l’eau, entrera dans les chaînes trophiques (via photosynthèse). La quantité de 14C se renouvelle continuellement on l’admet donc constante : c’est la base du principe de datation par le 14C.

A la mort des organismes vivant les échanges vont cesser, l’organisme a emmagasiné une quantité donnée de 14C. Cette quantité va décroitre par désintégration pour donner N qui part dans l’atmosphère. On doit donc se baser sur la quantité de 14C restante. Ainsi on peut déterminer l’âge de l’objet…

Comment évaluer la quantité de 14C restante ?

B.Compter pour dater.
Principe du compteur à scintillation qui compte les C désintégrés.

C.Un chronomètre limité.
Pour pouvoir appliquer la méthode du carbone 14 il faut avant tout s’assurer que le système soit fermé. Par exemple, si on veut dater un parchemin, ce dernier ne doit avoir ni gagné, ni perdu de carbone 14 depuis le temps où il a été fabriqué, c’est-à-dire depuis le temps où l’animal qui a servi à sa fabrication est mort… Rien n’est plus difficile à estimer !

Date max : 50000ans

De plus méthode dépendante de l’atmosphère, or composition fluctue dans le temps donc quantité de 14C fluctue. Par exemple :
Quand l’océan= réservoir, si modification des échanges océans-atmosphère alors modification de la concentration en 14C. (variation de la quantité en CO2 au cours des temps géologiques, (voir Paléoclimats de Deconinck)
Combustion des charbons et pétroles dilue la « teneur naturelle » en carbone 14 de l’atmosphère. Les expériences nucléaires injectent une quantité importante de carbone 14 dans l’atmosphère et perturbe le cycle naturel du carbone 14. Etc !
D’où, besoin d’une courbe de calibration… = limite de la méthode.

Conclusion :
Radiochronologie = datation absolue dans la mesure où elle fournie une valeur absolue, mais ce sont des données relatives car elles ne donnent pas une vérité absolue. Résultat avec incertitude souvent supérieure à la précision des datations basée sur la chronostratigraphie…

Bibliographie:
Géologie istopique Allègre
La mesure du temps dans l'histoire de la Terre DeWever et Co!
STU Brahic et co!

Et le plan "classique", j'ai choisi celui de Badhoua... mais chacun peut prendre le sien, améliorer, compléter...

Introduction

Pour reconstituer l'histoire d'une région, on a besoin de la datation relative qui va nous indiquer la chronologie des différents évènements et la datation absolue qui nous indique combien de temps nous sépare du moment de la formation d'une roche. La radiochronologie est utilisée pour dater des échantillons géologiques de façon absolue; cette méthodes met en jeu les isotopes radioactifs de certains éléments.

Comment la radiochronologie permet-elle de donner l'âge d'un échantillon?

I les principes de la radiochronologie
a. Désintégration d'isotopes naturels radioactifs en éléments stables
- élément père, élément fils
- identification et dosage par spectrométrie de masse (description du principe)
- F=F0 + Fr
b. Utilisation de la période radioactive
- graphique de l'évolution du pourcentage de l'élément père en fonction du temps,
- notion de demi-vie, limites inférieure 1/100 demi-vie, limite supérieure 100 demi-vie
- F= F0 + P(e-λt - 1)
c. 1 limite : le parti pris du système clos

Transition :
Le choix de la technique appropriée va dépendre du type d'échantillon : en fonction de la demi-vie, de la nature chimique de l'échantillon, de la stabilité de l'élément fils ...

II. Utilisation des différents isotopes
A. Les méthodes radiochronologiques pour les roches
a. 40K/40Ar
- Période : 1,19 milliards d'années
- Mesure de l'élément fils car l'Ar est un gaz. Avant la fermeture du système il est éliminé dans le milieu environnant. Donc on peut considérer que F0 = 0
- Grande universalité car beaucoup de roches contiennent du K (roches silicatées)
- 40Ar présent de façon non négligeable dans la nature risques de contamination et d'erreur non négligeables

b. 87Rb/87Sr
- Période : 48,8 milliards d'années
- Roches magmatiques ou métamorphiques (micas, feldspaths)
- Difficulté de la méthode : on ne connait pas les quantités initiales de l'élément père et de l'élément fils
- Protocole de la mesure : mesure de 2 rapport de concentration isotopique dans plusieurs minéraux de la roche : 87Sr/86Sr (ordonnée du point) et 87Rb/86Rb (abscisse). Les différents points obtenus permettent de tracer un courbe isochrone. Si les mesures sont précises c'est une droite.
- Méthode une des plus utilisée car très fiable.

Il existe d'autres méthodes avec des isotopes différents ex U/Pb...

B. Méthodes radiochronologiques pour les restes organiques
a. 14C/12C
- Période : 5568 ans
- Utilisation : restes d'êtres vivants, ossements, ou tout matériau contenant du C (matière organique)
- Le rapport initial 14C/12C dans l'atmosphère est considéré comme constant et dans tous les organismes
- Fermeture du système à la mort de l'organisme car fin des échanges gazeux avec le milieu extérieur
- En réalité les variation atmosphériques de 14C/12C induisent des erreurs
b. U/Th
- Période : 250000 années
- Ages des roches carbonatées et des ossements

Conclusion

Chaque méthode, a son époque, son échantillon pertinent, ce qui est à l'origine du choix de la méthode

Ouverture : on peut utiliser des isotopes stables pour dater d'autre types d'échantillons comme la glace. Par principe d'actualisme, cela permettra de connaitre les conditions de formation de l'échantillon.[u]