LA MESURE DU TEMPS
DANS L'HISTOIRE DE LA TERRE ET DE LA VIE
- La mesure de la durée
des événements longs et anciens qui ne relèvent
pas de l'histoire humaine requiert l'interprétation des
phénomènes géologiques et biologiques
enregistrés dans les roches et les fossiles. Les
géologues utilisent des outils de datation relative et absolue.
-
- Thèmes traités
et activités
pédagogiques
(durée: 2 semaines):
Datation relative
- Datation absolue
1 Datation
relative
Elle permet d'ordonner les uns par rapport aux autres des structures
(strates, plis, failles, minéraux) et des
événements
géologiques variés (discordance, sédimentation,
intrusion, orogénèse, transgression,
régression,...).
1.1 LES PRINCIPES FONDAMENTAUX DE LA
GEOLOGIE
- Principe d'actualisme: les lois régissant les
phénomènes géologiques actuels étaient
également valables dans le passé.
Principe de superposition: une strate est plus
récente que celle qu'elle recouvre et plus ancienne que la
couche sus-jacente. Cette règle n'est valable que dans une
région tectoniquement stable.
Principe de recoupement: une structure qui en recoupe une
autre est plus jeune que celle qu'elle recoupe. Ce
phénomène peut être à l'origine d'une
discordance angulaire entre deux séries sédimentaires
lorsque leurs joints de stratification ne sont pas parallèles
entre eux. De façon concomitante une lacune sédimentaire
peut séparer les deux séries.
Principe de continuité: une même couche a en
tous points même âge. Ce fait n'exclut pas des variations
de faciès à l'intérieur de la couche dans des
endroits fort éloignés.
Principe d'identité paléontologique: les
fossiles peuvent être des marqueurs temporels. Un fossile
stratigraphique est un fossile qui a une grande extension
horizontale et une faible extension verticale (le taxon auquel il
appartient a vécu dans des zones très étendues
géographiquement, mais pendant une période relativement
brève). Ainsi, des couches présentant le même
contenu paléontologique ont le même âge. Par
ailleurs, la comparaison de faunes fossiles différentes dans des
couches superposées permet l'établissement d'une
chronologie relative très précise, notamment en faisant
l'étude d'associations de fossiles.
1.2 UN CALENDRIER GEOLOGIQUE DE REFERENCE
- L'application de ces principes permet de reconstituer l'histoire
géologique d'une région.
Les recoupements généralisés à
l'échelle du globe ont permis d'établir un calendrier de
référence: l'échelle
stratigraphique internationale des
temps géologiques. Les étages successifs sont
désignés par un nom de lieu qui évoque le stratotype
(formation géologique référencée
mondialement qui a caractérisé cette période).
- On site souvent dans les ouvrages de lycée le stratotype du Toarcien du nom de
Thouars, une bourgade de Vendée. Voici ce que l'on peut
découvrir à l'entrée des deux carrières
aménagées en réserves géologiques,
répertoriées pour définir cet étage
daté de quelque 180 MA.
-
Observations
de
terrain. On vous propose, dans le tableau ci-dessous,
différents documents photographiques: -
-
- stratification horizontale:
|
-
Falaise du jurassique
-
(Laleu, face à l'île de
Ré - Charente Maritime)
|
|
- faille au travers de strates horizontales:
|
|
- pli:
|
-
Pli couché dans les strates de
grès et de schistes formant le flysch à helminthoïdes
-
(Saint-Clément - Hautes Alpes)
|
|
- roche métamorphique fracturée et
filons:
|
-
Filons de granite dans une roche
métamorphique
-
(Port Navalo - Morbihan)
|
|
|
|
-
Coulée volcanique sur des
sédiments jurassiques
-
(Ile de Skye - Ecosse)
|
|
-
- En appliquant les principes fondamentaux de la
géologie, vous retrouverez la chronologie des
événements géologiques pour chaque document en
étudiant les relations géométriques entre
structures géologiques.
-
- Observations de laboratoire. Vous avez
à disposition:
-
-
-
- En utilisant vos connaissances, notamment celles que vous avez
acquises en 1ère S (pour ceux qui l'aurait vécu, au stage
de géologie alpine au CBGA de Briançon),
- · vous établirez la chronologie des
événements qui ont affecté le basalte, les
minéraux de la roche métamorphique,
· vous apprécierez la vitesse de dépôt dans
les formations du Toarcien et exploiterez les documents
paléontologiques proposés.
-
- Observations de coupes géologiques.
Vous avez à disposition des cartes géologiques, blocs
diagrammes de formations géologiques.
-
-
| Datation relative de quatre
événements géologiques |
Grâce à un raisonnement
rigoureux vous réaliserez une datation relative des quatre
événements indiqués sur le document et visibles
sur la coupe géologique présentée, puis vous
établirez leur chronologie. |
|
| Histoire géologique de la
Montagne Noire et des Causses |
Déterminez les
événements géologiques qui ont successivement
affecté cette région. Pour chaque étape, vous
cliquerez sur l'événement proposé (en bleu) qui
vous paraît être chronologiquement le bon. L'animation se
déroulera en cas de bon choix. |
|
| Succession des événements
qui ont affecté la région de Touars: |
Reconstituez de façon
argumentée la succession des événements
géologiques qui ont affecté la région de Thouars. |
|
-
-
- Vous pouvez utiliser "GEOLOGUE" de
G.FUXA et E. SANCHEZ, un logiciel de simulation permettant d'aborder
les notions de relations géométriques entre
différentes structures géologiques et de chronologie
relative d'événements géologiques à partir
de l'observation d'une coupe géologique:
-
-
http://www.symbiose.asso.nc/activites/telecharg/geologue.htm
2 Datation
absolue
Elle permet de donner un âge à un
événement
géologique. Elle est basée sur les
propriétés
des éléments radioactifs.
2.1 PRINCIPE DE LA GEOCHRONOLOGIE ABSOLUE
- Le programme de SVT en Terminale S ne nécessite pas de
connaître les développements mathématiques et
physiques de la désintégration radioactive, mais comme
les notions de dérivés et d'intégrales sont du
ressort du programme de Mathématiques et la radioactivité
de celui de Sciences Physiques, vous trouverez ci-dessous les
réponses à vos questionnements et il ne fait aucun doute
qu'elles vous procureront beaucoup de joies (...!!!)
-
- En se désintégrant un
élément-père P, radioactif, se transforme en un
élément-fils F, radiogénique F*:
- La variation du nombre d'isotopes P est une fonction du temps
obéissant à la loi :
- Cette équation s'intègre en fonction du temps:
- k est une constante que l'on détermine pour t = 0. S'il
y a Po éléments au temps t=0:
- Ainsi, le nombre d'éléments P diminue en fonction
du temps tandis que le nombre d'éléments-fils produits
augmente.
Pour tout isotope radioactif quel qu'il soit, on définit un temps T
appelé période ou demi-vie,
au bout duquel il ne reste plus que la moitié des
éléments P présents au départ, soit:
- On a alors défini
, appelée constante de
désintégration de l'élément radioactif
P; elle équivaut à l'inverse d'un temps.
-
- A t = 0, on compte16 éléments rouges de P (c'est Po) et 0 élément bleu de F (Fo).
A t = T, il ne reste plus que 8 éléments rouges de P, 8
éléments bleus de F ont été produits.
A t = 2T, il ne reste plus que 4 éléments rouges pour 12
éléments bleus,
A t = 3T, il ne reste plus que 2 éléments rouges pour 14
éléments bleus, etc ...
On est parti d'un système à 16 éléments
isotopiques et il y en a toujours 16 dans le système : on dit
que le système est clos ou fermé, il n'y
a pas d'apport extérieur ou de pertes.
2.2 DATATION D'UN MINERAL OU D'UNE ROCHE
2.2.1 Critères permettant de dater
un échantillon
- Le choix de l'échantillon à dater est
primordial: les éléments père et fils que l'on
mesure doivent avoir évolué selon les seules lois de la
désintégration, c'est-à-dire que la date que l'on
veut trouver doit être celle de la "fermeture" du système.
Dans les roches magmatiques et métamorphiques, celle-ci
correspond à la cristallisation des minéraux. Les roches
sédimentaires, par contre, sont rarement des systèmes
fermés.
Le choix de l'isotope radioactif est un autre
critère: il faut que les isotopes soient présents en
quantité suffisante, or à la fermeture du système
l'isotope-père décroît de manière
exponentielle. Son dosage ne peut plus être fiable au-delà
de 10 périodes, soit à la concentration de 1 / 2e10,
c'est-à-dire environ 1 / 1000. De ce fait
les éléments à période courte (14C) ne
conviennent pas aux datations anciennes.
-
-
QUELQUES
HORLOGES RADIOCHRONOLOGIQUES
|
COUPLES D'ISOTOPES
|
PERIODES
|
AGES MESURES
|
|
238 U / 206
Pb
|
4,47 GA
|
> 25 MA
|
|
87 Rb / 87 Sr
|
48,8 GA
|
> 100 MA
|
|
40 K / 40
Ar
|
1,31 GA
|
1 à 300 MA
|
-
14 C / 14 N
|
5 730 années
|
100 à 50 000 années
|
2.2.2 Façon de procéder
pour faire parler l'horloge radiométrique
- La désintégration met un certain temps à
se faire, c'est ce paramètre temps qui nous intéresse.
Dans l'équation P ---> F* le temps est le temps total pour
que tout l'élément-père soit transformé en
élément-fils.
Après un temps t1, une partie de la
quantité originelle d'élément-père P aura
été transformée en une quantité R1
d'élément-fils: il ne restera qu'une
quantité P1 de
l'élément-père, ce qui peut s'exprimer par le
rapport R1 / P1.
Après un temps t2, on obtiendra un
rapport R2 / P2, plus
grand que le précédent, ... et ainsi de suite.
La valeur du rapport R / P est donc fonction du temps de
désintégration. Le taux de désintégration
est différent d'un type de désintégration à
l'autre, mais toujours le même pour une
désintégration donnée. Comme on connaît les
constantes de désintégration pour les diverses
réactions qu'on utilise couramment, on est capable de calculer
le temps de désintégration pour une valeur donnée
du rapport R / P, à l'aide de ces constantes. Ce qu'on calcule,
c'est le temps qu'a mis la désintégration à se
rendre à cette proportion entre fils et père. Ce qu'on
détermine, c'est depuis combien de temps a commencé
la désintégration.
Ainsi on peut:
- soit mesurer le nombre d'isotopes P qui restent dans le
système si on connait Po (comme pour la
datation au 14C sur des bois carbonisés)
: ce n'est pas très facile car on mesure des quantités de
plus en plus faibles d'un atome qui disparaît.
- soit mesurer la quantité d'isotopes F présents
dans le système. Dans ce cas, il faut tenir compte du fait que
des isotopes F peuvent exister au départ (Fo)
dans la roche indépendamment de la radioactivité de P.
On a alors:
-
- Si F* est produit par la désintégration de P,
on a :
2.3 METHODES DE DATATION DES PERIODES
ANCIENNES
- 2.3.1 La méthode Rb
(rubidium) / Sr (strontium)
- Lors de la formation d'une roche, telle qu'un granite, du
rubidium et du strontium sont intégrés dans les
réseaux cristallins de certains minéraux (micas,
feldspaths). Chacun de ces éléments se présente
sous plusieurs formes isotopiques: 85Rb et 87Rb d'une part, 88Sr, 87Sr, 86Sr et 84Sr
d'autre part.
L'isotope 87Rb, radioactif, se
désintègre en donnant 87Sr:
-
Or on ne connaît pas la quantité initiale de ces
éléments dans les minéraux de la roche à la
fermeture du système, que ce soit celle de
l'élément-père ou celle de
l'élément-fils qui n'est pas nulle au départ.
L'équation ci-dessus devient : -
-
- On dispose ainsi d'une équation à 2 inconnues: 87Sro et t , qui posent
problème.
Pour le résoudre, il faut comprendre que deux minéraux ou
deux roches cristallisant à partir d'un même magma
intégreront dans leur réseau cristallin du strontium avec
un rapport isotopique 87Sr / 86Sr
identique à celui du magma d'origine. On dit que ces
échantillons sont cogénétiques. Et même si
certains minéraux intégreront plus de strontium que
d'autres (suivant la compatibilité de l'élément
avec le réseau cristallin en question), tous auront le
même rapport initial 87Sr /
86Sr.
- Par ailleurs, sachant que 86Sr n'est
ni radioactif ni radiogénique, la quantité de cet
isostope ne varie pas au cours du temps dans un système clos et 86Sr = 86Sro.
Si on divise toute l'équation par le nombre de l'isotope 86Sr, l'équation devient donc :
-
-
- On peut mesurer les rapports 87Sr / 86Sr et 87Rb / 86Sr par
spectrométrie de masse.
Lors de la différenciation de roches magmatiques à partir
d'un même magma des variations des quantités de Rb et de
Sr des produits de cette différenciation se manifestent, mais
pas du rapport isotopique initial du Sr. Ainsi deux échantillons
auront le même rapport 87Sr / 86Sro mais des rapports 87Sr / 86Sr et 87Rb / 86Sr différents
que l'on peut mesurer. On dispose alors de 2 équations à
deux inconnues.
Les schémas ci-dessous illustrent ce raisonnement en fonction du
temps dans un graphe 87Sr / 86Sr
en fonction de 87Rb / 86Sr
pour 6 échantillons d'un même magma de départ, qui
ont donc le même rapport 87Sro
/ 86Sr.
-
-
-
-
Datation isotopique
de
gabbros du Chenaillet
- On a procédé à des dosages
isotopiques dans des échantillons de gabbros du Chenaillet en
vue de les dater. On a utilisé la méthode Sm (Samarium) /
Nd (Néodyme) reposant sur la réaction de
désintégration Sm -> Nd (d'après Renaud CABY - Laboratoire de
Tectono-physique de Montpellier).
-
- Le tableau ci-dessous correspond à des mesures de
rapports isotopiques dans ces échantillons, certaines sont
répétées:
-
Sachant que la période du samarium est T = 1,1.10e11
ans, calculez l'âge des gabbros du Chenaillet et estimez la
période géologique de leur mise en place. -
-
-
-
- 2.3.2 La méthode K
(potassium) / Ar (argon)
- Le 40K se désintègre en
donnant de l'40Ar:
-
- Dans cette méthode, c'est la quantité
d'élément-fils 40Ar formé
au cours du temps que l'on va mesurer, car avant la fermeture du
système l'argon formé par désintégration de 40K
est éliminé dans le
milieu (dégazage du magma au cours de sa progression vers la
surface, par exemple).
Lorsque la température est devenue assez basse pour que la
cristallisation soit achevée, le système se ferme et le
chronomètre isotopique est remis à zéro.
L'âge de la roche est donc l'âge de la fin de son
refroidissement.
Cet âge est donné par la formule:
-
-
- Datation isotopique
d'un
reste d'Homininé
Dans la basse vallée de l'Omo, la coupe
géologique de l'Hadar, site de découverte de Lucy,
décrit plusieurs niveaux dont deux, qui encadrent la couche de
sédiments recélant les restes du squelette, ont pu
être datés par la méthode K/Ar.
Les mesures au spectromètre de masse, sur des
échantillons contenant 0,1g de potassium, ont fourni les
résultats suivants:
-
-
|
Dépôts supérieurs de cendres
volcaniques
|
Coulée inférieure de basalte
|
| Nombres d'atomes
de 40K |
200 683 630 210 . 10e6
|
198 995 190 010 . 10e6
|
| Nombre d'atomes
de 40Ar |
30 905 280 . 10e6
|
41 391 000 . 10e6
|
-
- Calculez l'âge des niveaux volcaniques de la coupe
de l'Hadar et indiquez la tranche d'âge dans laquelle a
vécu Lucy.
2.4 UNE METHODE DE DATATION DES PERIODES
RECENTES
- La méthode au 14C
- C'est une méthode adaptée aux temps
récents, car la période du 14C
est courte.
-
- Le carbone existe dans la nature sous forme de 3 isotopes: 12C, 13C et un isotope
radioactif le 14C, rare et formé dans la
haute atmosphère. Rapidement intégré au CO2
ambiant, ce dernier est mélangé au CO2 non
radioactif de l'atmosphère et les
plantes l'incorporent lors de la photosynthèse. On le retrouve
dans les chaînes alimentaires: tout être vivant contient
donc dans ses tissus une proportion de 14C qui
reste constante au cours de sa vie, car le carbone est renouvelé
en permanence.
La production de 14C étant
supposée régulière, on considère que le
rapport 14C / 12C est
constant chez tous les êtres vivants qui échangent du CO2
avec l'atmosphère.
- A la mort d'un organisme ou lors de la précipitation
d'un carbonate isolé de l'atmosphère, le carbone n'est
plus renouvelé et le 14C se
désintègre. Le système se ferme et
l'élément-fils 14N
s'échappe et ne sera pas pris en compte dans la mesure. Le
dosage du 14C résiduel dans un
échantillon permettra d'estimer son âge. Mais sa teneur
très faible nécessite d'utiliser un Tandétron
(spectromètre de masse couplé à un
accélérateur de particules) pour mesurer 14C
/ 12C.
- On admet que la valeur de ce rapport au moment de la
fermeture du système était la même que dans un
organisme vivant actuel.
12C étant stable, le rapport 14Cinitial / 12Cinitial connu et 14Cactuel / 12Cactuel
mesuré donne la valeur du rapport 14Cinitial / 14Cactuel.
- L'âge de l'échantillon est donné par la
formule:
-
-
- Datation d'une
éruption volcanique
- Le Puy Chopine est un des volcans actuellement
éteints de la Chaîne des Puys à l'ouest de
Clermont-Ferrand. L'une des éruptions explosives passées
a enseveli, sous des nuées ardentes, des arbres qui ont
conservé du 14C dans leurs vestiges.
- Cet isotope, ou plus précisément le rapport 14C / 12C, a pu être
dosé grâce au tandétron.
- Une autre méthode plus rapide consiste à
mesurer la radioactivité (nombre de
désintégrations par gramme et par minute en dpm) du 14C
présent dans un échantillon.
- Sur un fragment de bois naturel, la radioactivité
moyenne est de 13,56 dpm: on admet que cette valeur était la
même il y a plusieurs millénaires.
- Les échantillons de bois emprisonnés dans
les coulées du Puy Chopine ont actuellement une
radioactivité de 4,75 dpm.
-
- Calculez l'âge de l'éruption.
-
Vous pouvez utiliser le logiciel
"CHRONORAD" de Jean Pierre LECLERC, Professeur au Lycée
François TRUFFAUT de CHALLANS (85), qui illustre la
radiochronologie
en terminaleS; seules sont abordées les méthodes
de datation prévues dans les programmes 2002. Chaque page
appelée par le menu, comprend un bref rappel des notions
nécessaires à la compréhension de la
méthode
envisagée, aucune démonstration des lois physiques
et des notions mathématiques n'y est abordée:
-
http://www.pedagogie.ac-nantes.fr/31152093/0/fiche___ressourcepedagogique/&RH=1160731090953
Quelques conférences
sur la "mesure du temps" en géologie peuvent être
visionnées à l'adresse suivante:
