Méthodes de datation absolue

Méthode générale: 

La période radioactive est la base de la datation absolue directe, car toutes les techniques directes sont appliquées grâce au temps de demi-vie du noyau radioactif en question.

Ainsi, ces radio-isotopes se trouvent dans un milieu, et se désintègrent. Mais de nouveaux radio-isotopes semblablent sont crées, par différentes transformation (ex : le carbone 14 est créé suite à l’absorption de neutrons par l’azote 14). Dans les milieux où ces radio-isotopes sont créés, on mesure le taux de Nradioactif/Ntotal (N est la quantité de radio-isotopes qui se renouvelles, et Ntotal est la quantité de matière totale de l’ensemble des istotopes de l’élement). On suppose que ce taux est supposé et est fixe car le radioactif se renouvelle en même quantité qu’il se désintègre. Ensuite on mesure ce même taux dans un milieu (une roche, un fossile, etc…) où le radio-isotope n’est pas renouvelé.

Alors on compare le taux fixe et le taux trouvé. TAUXtrouvé/TAUXfixe  nous donne un nombre, entre 0 et 1. Plus il est faible, plus l’objet est ancien. Pour trouver l’âge auquel le milieu s’est formé, il faut utiliser un algorithme, ou se placer sur la courbe de décroissance radioactive dans laquelle on prend N=1, et l’âge est alors l’abscisse du point de la courbe qui a pour ordonnée TAUXtrouvé/TAUXfixe.

Ainsi, la courbe de décroissance radioactive est celle ci-dessous :

 

             

 

L’algorithme en question est un programme qui trouve n tel que  

TAUXtrouvé/TAUXfixe = 1/2n

n est alors le nombre de période et pour trouver l’âge, on multiplie n par la durée de demi-vie. C’est ainsi que l’on peut dater un objet ou une roche (qui peut mener à la datation d’un événement) qui a été formée dans un milieu dans lequel se trouve un atome ainsi que un de ses isotopes qui se renouvelle stablement dans le temps.


Méthode directe de datation

application au carbone 14 :

              

Le carbone 14 est un radio-isotope du carbone 12, dont la période est égale à 5730 ans. Ce radio-isotope se trouve en faible quantité dans l’air, et ainsi tous les êtres vivants qui respirent en ingurgitent en partie. Dès la mort de ces êtres vivants, le carbone 14 n’est plus inhalé et il décroit dans le temps. Cette méthode de datation absolue peut être appliquée sur des êtres vivants (y compris les végétaux) morts (cadavres, arbres abattus…). Le carbone se désintègre en émettant des particules beta-, se transformant alors en azote 14.

                

incertitude sur la mesure

Le seul bémol de cette technique est que le taux carbone14/carbone n’a pas forcément été fixe dans le temps. En effet, le carbone 14 est formé grâce aux flux des particules en provenance de l'espace qui bombarde la terre et du champ magnétique terrestre qui nous protège en partie contre ce bombardement. Ce flux et ce bouclier évoluent très lentement avec le temps. Et la quantité de Carbone-14 suit cette lente évolution, car un équilibre étant atteint, il se forme à chaque instant autant de ce noyau qu'il s'en désintègrent. Les particules du rayonnement cosmique rentrent en collision avec les noyaux de haute atmosphère. Des neutrons en sont issus. Eux même interagissent à leur tour avec des noyaux d’azote de l’air et provoquent des réactions nucléaires. Les neutrons prennent place dans ces noyaux, en éjectant un neutron, donc on a la réaction :

             

Cependant, le rayonnement cosmique, ainsi que le bouclier électromagnétique ont varié pendant le temps, à l’échelle de centaines de milliers d’années. Le taux carbone14/carbone n’est donc pas fixe. Ce changement peut donc faire varier la mesure. Le résultat trouvé n’est donc pas précis. Mais des recherches ont été mises en place pour mesurer le rayonnement cosmique en fonction du temps, ce qui pourrait résoudre ce problème.

              

La datation au 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. 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. 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 isochrone

La résonance paramagnétique électronique :

C'est une méthode de spectroscopie (étude d’un spectre). Une espèce chimique est considéré ou un matériaux est considérée comme paramagnétique s’il a un ou plusieurs électrons célibataire(atome ayant un nombre impair d’électron ). Les atomes sont constitués de noyau chargés positivement et d’électrons chargés négativement. Les niveaux d’énergies des particules sont quantifiés c’est à dire qu'ils ne peuvent pas prendre n’importe quelle valeur. La RPE utilise une onde électromagnétique qui permet aux électrons célibataires de passer d’un niveau d’énergie a un autre. Pour que cela fonctionne il faut que l’échantillon étudié soit placé dans un champ magnétique qui sépare les niveaux d’énergies. En faisant varier le champ magnétique, on observe une variation du signal (une raie de résonance)à une certaine valeur de champs magnétique ( le champs produit par l’aimant).

             

A la base on a deux électrons de Spin=-1/2 et de ½ . Le spin est une propriété quantique propre a chaque particule or celui de l’électron est ½ or le principe de Pauli, stipule que deux particules ne peuvent pas coexister dans un même état . Donc si l’un présente un spin positif, l’autre aura nécessairement un spin négatif donc de -1/2.

Normalement ces états ont la même énergie, mais si on place l’espèce dans un champ magnétique, les deux niveaux d’énergies se séparent linéairement avec l’intensité du champ magnétique(a). Si on applique une onde d’énergie constante, lorsque l’écart d’énergie entre les deux niveaux est égale a celui apporté par l’onde, il y a absorption et phénomène de résonance.on observe alors une raie.

               a)

 

                 b)

Il y a 3 grand type de spectres notamment celui avec la symétrie cubique(fig 4,5,6), la symétrie axiale(fig 7) et la symétrie orthorhombique. On peut alors en déduire des informations sur l’espèce observée.

      figure 7     

Pour une fréquence donnée, l’allure et la valeur du champ magnétique sont riche en information sur les électrons  car elles nous permettent d’identifier l’espèce chimique, de caractérisé son environnement. L’intensité du signal nous permet de déterminer la quantité d’électron qui sont équivalent (même espèce chimique).

Dans le cas de la datation par RPE, au sein des soldes (tel que les dents, les os, la céramique), les rayonnements qui nous entoure arrachent des électrons à des liaisons, une liaison est formé d’un nombre pair d’électrons (2,4,6) si on enlève un électron, il y a alors un nombre impair et un signal en résonance paramagnétique électronique apparait. Il faut des milliers d’années pour qu’un nombre d’électrons suffisant soit arraché pour produire un signal détectable, on détermine l’intensité du signal et ensuite on détermine comment le signal augmente dans le temps, cela dépend de l’objet étudié  de son environnement. Enfin en connaissant la dose accumulée et la facon dont la dose augmente sur une période donnée, on peut déterminer l’âge de l’objet.

Une des méthodes de datation consiste à apporter des doses d’irradiation croissante à l’échantillon, le signal augmente, on peut tracer le graphique représentant l’intensité du signal en fonction de la dose ajoutée, lorsque ce graphe coupe l’axe des abscisse cela correspond à la dose que l’échantillon avait reçu avant l’expérience. En  déterminant la dose annuel on peut en déduire l’âge de l’échantillon.

 

La datation à l’uranium/thorium:

La technique de datation à l’uranium-thorium est une technique qui permet de mesurer l’âge de certaines formations d’origine animale comme le corail ou des couches sédimentaire. L’uranium234 est présent et soluble dans l’eau de mer. Il se désintègre naturellement en thorium230, car il est de radioactivité alpha. Le thorium est insoluble dans l’eau. Au cours de sa formation, le squelette minéral d’un corail piège dans son réseau cristallin de l’uranium dissous dans de l’eau de mer. A l’origine le corail ne contient pas de thorium car il n’en n’existe pas dans l’eau. Mais à mesure que l’uranium se désintègre, d’une demi-vie de 245 500 ans, le squelette accumule du thorium. Le rapport isotopique de thorium par rapport à l’uranium fournit une mesure fiable de temps écoulé.

Son incertitude est de 50ans pour des ages de 10 000 ans et de 1000 ans pour des ages de 100 000.

Lors d’une recherche archéologique on trouve par exemple ce resulat ci-dessous :

Echantillion

Th230 /U234

incertitude

Ossement

1.477E-02

0.5%

Dent

1.478E-02

0.5%

coquillage

1.521E-02

1%

 en connaissant le rapport du thorium/uranium on peut en deduire l'age de l'echantillion grace a un graphique.          

 

La datation au rubidium/strontium :

Dans ce souple, le rubidium 87RB donne par radioactivité B- le 87SR stable, avec une periode T =48.8x10^9 ans. Dans une roche ou un minéral contenant ces deux elements, la teneur en 87SR augmente en fonction du temps alors que celle de l’autre isotope du SR, 86SR, ne change pas.86SR est donc utilisé comme dénominateur dans l’expression de l’isochrone.

L’equation est donc :

(lambda)87xt=in ((SR87 /SR86)-(SR87/SR86)0 /(RB87/SR86)  +1))

Plusieurs raport mesuré SR87/SR86 et RB87/SR86, obtenus sur plusieurs type de minéraux et sur la roche contenant ou sur plusieurs roches du même gisement, permettent graphiquement de tracer l’isochrone du matériel. Lambda étant connu, on connait alors son age t et le rapport initial RI= (87SR/86SR)0, ordonnée a l’origine.  

Méthodes basées sur des défauts du cristallin :

La thermoluminescence :

La thermoluminescence consiste à mettre en évidence par un apport de chaleur sous forme de lumière un événement piégé dans la structure cristalline d’un minéral. Cet événement caché a pu être provoqué par la radioactivité ou par la déformation. Sa mise en évidence sous la forme d’une émission lumineuse peut être un outil chronologique grâce a une calibration.

Cette technique marche pour les roches qui ont quelques cristaux, on peut seulement dater la dernière modifications de l’échantillon, on peut aussi dater la création d’ un silex pour les hommes préhistoriques ou la solidifications d’un magma.

Dans une structure cristalline les particules chargées occupent de niveaux d’énergie plus ou moins élevé représentés par un schéma de bande. Dans leurs états stables, ils occupent la bande de valence, de plus basse énergie. Excité par exemple par une irradiation ou un chauffage ils peuvent passer dans la bande d’énergie dite de conduction. Pour la plupart ces particules excité retombent ensuite dans la bande de valence mais certaines peuvent retombé dans des pièges correspondant a des défauts du cristallin dont les niveau d’énergie sont situé dans la bande appelé bande interdite intercalée entre bande de conduction et bande de valence.

                

Un cristal présent dans une roche d’une roche ou d’un sédiment reçoit des radiations du milieu environnant. Au cours de cet irradiation les charges crées dans le cristal occupent peu à peu les pièges et peuvent y rester les très longtemps. Le chauffage du cristal extrait ces charges de leurs pièges et le renvoient dans les bandes de conduction d’où elles retombent dans la bande de valence en réémettant la différence d’énergie sous la forme de photons. Le nombre de photons émis est lié proportionnellement au nombre de charge piégés avant le chauffage donc a l’irradiation reçue par le cristal. Si l’on peut estimer la quantité de radiations émise par une unité de volume et par an  par l’environnement sédimentaire d’où provenait l’échantillon la division de la thermoluminescence de l’échantillon par cette activité de l’environnement donnera le  nombre d’année passées par l’échantillon dans cet environnement.

                      

 

La trace de fission :

Le comptage des traces de fission : la fission spontanée d’un atome d’uranium 238 isotope de l’uranium élément minoritaire dans la roche, expulse deux atomes fils en sens opposés avec une importante énergie cinétique. Ils endommagent le réseaux cristallins alentour laissant une trace que l’on peut agrandir et rendre visible au microscope optique moyennant un traitement préalable du minéral avec un acide fort comme l’acide fluorhydrique ou l’acide nitrique en général. On compte alors le nombre de trace visible par unité de surface ce qui permet à la quantité d’isotope radioactif U238 disparue dans le minéral entre le moment de sa cristallisation et le moment actuel.

On appelle lambda f la constante de désintégration par fission (lambda f =8.46.10^-17 ans ^-1)et la lambda d celle de la disparition de l’uranium 238 par désintégration classique (lambda d= 0.155.10^-9 ans^-1) La première est beaucoup plus petite que la seconde autrement dis la quantité de désintégration par fission par unité de temps est très largement plus faible que la désintégration radioactive est pour cela que l’on peut négliger la fission dans les calculs d’âge effectué avec le couple PB206/U238.

Seconde conséquence de cette différence si l’on note 238Ut la quantité d’uranium 238 au temps t (moment actuelle)le calcul du temps va donc être :

N1=( lambda f /lambda d )x (U.238)t .(exp(lambda x(t-t0))-1)

Ensuite en chauffant le minéral pour effacer les premières traces puis en irradiant le minéral par des neutrons produits artificiellement on provoque la fission des atomes d’uranium 235 ce qui fournit une nouvelle population de trace de fission que l’on compte a leur tour (N2) on obtient ainsi la quantité d’U235 présente aujourd’hui dans l’échantillon.

La proportion (U238/U235) des deux isotopes de l’uranium est égale au rapport de la terre globale et connue (137.88) : puisque les cristaux ont incorporé indifféremment ( sans fractionnement) les deux isotopes 238 et 235 ceux-ci une fois emprisonnés dans le réseaux cristallin des minéraux ont continué d’évoluer par désintégration radioactive et fission exactement de la même manière que l’uranium terrestre : leur proportion actuelle dans le minéral est donc identique a celui de la terre. Une fois obtenue avec N2 la teneur actuelle  en 235U on obtient celle de l’U238 ce qui permet de résoudre l’équation liant N1 et le temps et de remonter ainsi au temps écoulé delta t= t actuel –t fermeture depuis que le cristal s’est fermé et n’a plus aucune modification.

 

                   

 

Méthode sur la phenomène de diffusion :

Hydratation de l’obsidienne :

L’obsidienne est un verre naturel d’origine volcanique. Lors du débitage et du façonnage de l’objet il commence à se former une couche hydratée  qui croit au cours du temps. La mesure au microscope de l’épaisseur de cette couche permet d’évaluer le temps écoulé depuis le débitage. Mais un deuxième facteur intervient qui est la température en effet la l’obsidienne s’hydrate plus rapidement pdans un climat tempérée que dans un climat polaire.

 

Selon une zone du globe on a donc un graphique different selon l’hydratation de l’obsidienne.

                

Cette technique marche pour des obsidiennes n’excédant pas 1millions d’années.

                       

Méthode basée sur des phenomene cyclique :

La dendrochronologie :

La dendrochronologie consiste a compter les cernes d’un arbre . En sachant que chaques cernes corresponds a une année de croissance. Sur des arbres vivants au moment de l’abattage ou du prélèvement d’une carotte le repérage d’événement particulier (période de sécheresse, de pluie etc…) fournit des repères que l’on pourra retrouver sur d’autre coupe d’arbre mort. Par corrélation successives de ces cernes repères depuis des coupes d’arbre vivant jusqu'à des coupes d’arbre mort de plus en plus anciens on peut donc remonter le temps en comptant chaque cerne par un simple comptage.

On trace pour l’échantillon la courbe qui montre l’épaisseur de chaque cerne. Cette courbe est ensuite comparée à des courbes de références. Pour obtenir ces courbes de référence, on établit les courbes de plusieurs arbres et on fait une moyenne ; par regroupement entre des arbres qui ont pour une partie vécu ensemble, on remonte le temps. La séquence obtenue pour l’échantillon est calée sur la courbe de référence de l’espèce pour la région considérée (comme l’épaisseur des cernes dépendent du climat, les courbes varient selon la région, et l’on obtient une datation de l’échantillon). Si on possède les dernières cernes de l’arbre, on peut ainsi obtenir une datation à l’année prés pour des périodes allant de maintenant à 11 000 ans.

 

              

Archéomagnétisme :

Cette technique s’appuie sur l’étude des empreintes du champs magnétiques terrestre enregistrées sur les matériaux archéologique, ceux sont tous les matériaux qui sont aimanté chauffée au delà de la température de Curie, température ou le matériaux perd son aimantation, on fais redescendre la température, il prend une aimantation dite thermorémanente parallèle et proportionnelle au champs agissant. Les argiles cuits ( qui ont dans eux du magnétiteaimantée) ont donc la propriété d’enregistrer une image du champs magnétique terrestre a un instant donnée (celui de la dernière chauffe) et en un lieu donnée.Cette technique marche pour les matériaux qui ne dépassent pas 10 000 année d âges plusieurs lieux d'utilisation de cette techniquelieu d’utilisation: Temple d'Angkor, Pyramides de Khéops ou Machu Picchu.

La chimiostratigraphie :

Certains signaux chimique sont suffisamment bien enregistrés par les roches à l’échelle mondiale pour que l’on puisse en faire des marqueurs temporels.

Ainsi le rapport isotopique du strontium SR87/SR86 peut être utilisé comme marquer de temps avec certaines précautions d’usages. Ainsi la période Crétacé Supérieur définie précédemment avec précision par les biozones de Globotruncanidés ( sorte de plancton fossile qui etonne par sa grande vitesse de développement ) et par des anomalies magnétiques peut être caractérisées par une lente mais cohérente évolution par rapport au SR87/SR86. Celui-çi est établi avec une très grande précision de +-0.00002.

La magnétostratigraphie :

C'est une technique de datation qui n’utilise par la radiation. Cette méthode consiste a dater les cristaux de magnétite inclus dans les laves qui enregistrent le champ magnétique terrestre lors du refroidissement. Il y a donc un phénomène de fossilisation. Dans les sédiments les détritiques (Se dit d'un sol constitué par les résidus de la désagrégation des roches) magnétique ou ceux produits par des bactéries s’orientent dans le champs magnétique terrestre du moment lors de leurs dépôts.

De manière générale on peut noter que dans une superposition de strates des inversions magnétiques les dipôles magnétique prévalant lors du dépôts des sédiments successif n’ont pas la même orientation. Le sens du champ magnétique terrestre varie au cours du temps stratigraphique ( voir longue frise de la datation relative). Mais la succession des périodes normales ou inverses ou séquence magnétique ne date pas les roches.

Cette technique convient sur des minéraux formés en même temps que se dépose les éléments magnétiques. Mais aussi pour l’étude des fossiles permettant de définir l’existence de formes marqueurs de biozone connues.

 

 

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