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La chronologie absolue : décrypter le temps des roches par des mesures

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Les grands principes de la datation absolue

  • Chaque élément chimique est caractérisé par un numéro atomique : Z\text{Z} (nombre de protons présents dans le noyau).
  • On note A\text{A} le nombre de masses (neutrons+protons\text{neutrons} + \text{protons}) présents dans le noyau.
  • Ainsi, chaque élément chimique est noté de la manière suivante : ZAX^\text{{A}}_\text{{Z}}\text{X} , avec X\text{X} le nom de l’élément.
  • Z\text{Z} est invariable pour un élément donné, mais le nombre de neutrons peut varier.
  • Quand le nombre de neutrons varie, le nombre de masses aussi.
  • Les isotopes sont des espèces chimiques ayant le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différents.
  • Un isotope radioactif est un isotope instable dont l’état va être modifié vers un état stable en subissant une désintégration radioactive.
  • Chaque élément radioactif possède un temps de demi-vie qui correspond au temps au bout duquel la moitié des éléments radioactifs s’est désintégrée.
  • Plus un élément est instable, plus le temps de demi-vie est faible.
  • On peut considérer la Terre comme un système dont les éléments (hydrosphère, atmosphère, biosphère) interagissent via des transferts de matière et d’énergie.
  • On isole deux types de systèmes :
  • les systèmes ouverts qui interagissent avec les éléments extérieurs ;
  • les systèmes clos qui n’ont aucun échange avec les éléments extérieurs.
  • C’est en comparant les ratios isotopiques à t0t_0 (fermeture du système) et actuels de la roche que l’on peut déterminer l’âge de la formation de celle-ci.
  • Ainsi, lorsque l’on cherche l’âge d’une roche, on mesure en réalité l’âge de fermeture du système.

La datation absolue en géosciences

  • L’espèce chimique utilisée pour la datation des roches est essentielle car le temps de demi-vie est propre à chacune d’elle.
  • Le 87Rb^{87}\text{Rb} (rubidium) est un élément radioactif présent dans les roches, c’est l’élément père (P). Il se désintègre en 87Sr^{87}\text{Sr} (strontium), l’élément fils (F).
  • On peut mesurer la quantité de ces éléments dans une roche grâce à un spectromètre de masse. La demi-vie de ce couple radioactif est de t=48,8milliards\text{t} = 48,8\,\text{milliards} d’années.
  • Or, si l’on connaît le temps de demi-vie du couple, de même que le dosage des éléments père et fils dans la roche, on peut alors calculer le temps écoulé depuis la fermeture du système.
  • Ft=F0+Pt×(eλt1)\text{F}{t}=\text{F}{0}+\text{P}_{t}\times{(e^{\lambda\text{t}}-1)}, avec :
  • FtF_t la quantité d’éléments fils présents dans l’échantillon à l’instant tt ;
  • F0F_0 la quantité d’éléments fils présents dans l’échantillon à la fermeture du système ;
  • PtP_t la quantité d’élément père à l’instant tt ;
  • λ\lambda la constante de désintégration du couple =(ln2)t=\dfrac{(ln 2)}{t}.
  • Donc 87Sr=87Sr0+87Rb×(eλt1)^{87}\text{Sr}=\,^{87}\text{Sr}_{0}+^{87}\text{Rb}\times{(e^{\lambda t}-1)}
  • Mais la quantité de 87Sr^{87}\text{Sr} et 87Rb^{87}\text{Rb} intégrée au système lors de sa fermeture peut varier, il faut donc mesurer des rapports isotopiques :

87Sr86Sr=87Sr86Sr+(87Rb86Sr×(eλt1))\dfrac{^{87}\text{Sr}}{^{86}\text{Sr}}=\dfrac{^{87}\text{Sr}}{^{86}\text{Sr}}+\left(\dfrac{^{87}\text{Rb}}{^{86}\text{Sr}}\times{(e^{\lambda t}-1)}\right)

  • Ainsi, quel que soit le rapport 87Rb/86Sr^{87}\text{Rb}/^{86}\text{Sr} initial de la roche, le rapport 87Sr/86Sr0^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}_0 sera toujours constant.
  • Ce dernier reste pourtant inconnu au même titre que tt. Il nous reste donc, dans cette équation, deux inconnues : tt et 87Sr/86Sr0^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}_0.
  • Pour résoudre cette équation (de la forme y=ax+by = ax + b ), on va construire une droite que l’on appelle isochrone.
  • La pente de la droite, dont les différents points correspondent aux valeurs isotopiques mesurées dans les différents minéraux d’une roche ou dans les différentes roches d’un même affleurement, est : eλt1e^{\lambda t}-1.
  • Connaissant λ\lambda, on peut trouver tt et donc dater la fermeture du système.
  • Il est possible de dater l’âge des minéraux au sein d’une roche pour ce faire la méthode U-Pb est principalement utilisée.
  • Cette méthode est plus complexe que la méthode précédente car elle repose sur plusieurs désintégrations radioactives :
  • 238U^{238}\text{U} (uranium) \rightarrow 206Pb^{206}\text{Pb} (plomb), t=4,47Gat = 4,47\,\text{Ga}
  • 235U^{235}\text{U}\rightarrow 207Pb^{207}\text{Pb}, t=704Mat=704\,\text{Ma}
  • Cette méthode permet d’établir directement une relation entre la teneur en plomb et l’âge du minéral.
  • Elle est souvent utilisée sur des cristaux particuliers : les zircons (ZrSiO4\text{ZrSiO}_{4}).
  • Les zircons (ZrSiO4\text{ZrSiO}_{4}) sont des cristaux qui se forment dans des roches magmatiques, ce sont d'excellents objets d’études pour dater sur un temps très long.

La datation absolue sur le terrain

  • Le métamorphisme est la transformation d’une roche à l’état solide due à une modification des conditions de pression et/ou de température.
  • Roche totale VS minéraux isolés
  • Lors du métamorphisme il y a formation ou modification de certains minéraux, alors que d’autres restent intacts.
  • On parle de réouverture partielle du système.
  • Lors de la réouverture partielle du système, les rapports isotopiques dans les minéraux modifiés reviennent à l’équilibre avec le milieu extérieur, la datation de la roche complète donnera donc des résultats très différents en fonction de l'échantillon étudié.
  • Pour pallier ces problèmes, les chercheur·se·s utilisent la datation sur des minéraux précis.
  • Le cas du système U-Pb
  • Lors d’un épisode métamorphique, certains zircons se rouvrent totalement : ils perdent ainsi tout le plomb (Pb) accumulé par radioactivité. Les autres zircons vont se rouvrir à des proportions variables et la quantité de Pb dissipé va varier.
  • En fonction du pourcentage de réouverture, les zircons vont avoir des ratios 206Pb/238U^{206}\text{Pb}/^{238}\text{U} et 207Pb/235U^{207}\text{Pb}/^{235}\text{U} proportionnels.
  • On va donc pouvoir construire une droite appelée droite Discordia.
  • Les intersections de la Discordia avec la Concordia nous indiquent l’âge de formation initiale de la roche et l’âge du métamorphisme.
  • La datation absolue peut aussi venir en complément de la datation relative.
  • La datation relative étant basée sur les registres fossiles, on a pu attribuer des périodes géologiques à des fossiles particuliers.
  • La datation absolue des fossiles a ainsi permis aux scientifiques de donner des dates précises aux différents étages de la frise chronologique des temps géologiques.