La datation absolue des roches

II La datation absolue: radiochronologie

 

voir logiciel radiochr, téléchargeable gratuitement :

http://pedagogie.ac-amiens.fr/svt/info/logiciels/radiochr/telech.htm

 

Les phénomènes liés à la désintégration des éléments radioactifs permettent d’accéder à une datation des roches qui les contiennent à plusieurs conditions:

- qualité des échantillons utilisés.

- choix pertinent des isotopes choisis.

 

 

 

1) La qualité et la pertinence de l'échantillon choisi

 

Il faut que l'échantillon n'échange plus avec le milieu extérieur il qu'il soit donc un milieu fermé.

La date que l'on obtient correspond au moment où les isotopes ont été confinés dans l'échantillon (ex: formation d'une roche magmatique par refroidissement d'un magma).

Après la fermeture du système, les isotopes évoluent spontanément selon les lois physiques de désintégration radioactive (décroissance exponentielle des éléments pères.).


 

2) Choix de l'isotope analysé et période de cet isotope.

 

 

Dès que le système est fermé, la quantité d'éléments pères diminue.

Plus l'échantillon est vieux plus la période de l'isotope choisi devra être importante.

 

 

a) Le couple carbone12/carbone14 est fréquemment utilisé pour dater les fossiles, les restes d’êtres vivants. Lorsqu’un individu meurt, il arrête les échanges de carbone avec son milieu (nourriture, respiration, photosynthèse). La quantité de 14C diminue alors dans l’organisme. C’est la quantité initiale de 14C par gramme de 12C dans l’atmosphère qui sera considérée comme constante. La période du 14C est de 5570 ans et permet une datation jusqu'à 35000 ans avec une bonne précision.

 

 

Le principe   L'isotope 14 de l'élément Carbone (14C) est produit en permanence dans la haute atmosphère à partir de l'isotope 14 de l'élément Azote (14N), sous l'effet des rayons cosmiques. Comme cette production est constante (au moins à l'échelle de temps de quelques demi-vies), un équilibre s'est établi avec les pertes par radioactivité : le rapport isotopique 14C / 12C reste donc constant pour le CO2 de l'atmosphère. Ce rapport isotopique reste aussi constant dans les tissus vivants qui incorporent le CO2, directement (cas des végétaux autotrophes) ou non (cas des hétérotrophes). Après la mort, le 14C n'est pas renouvelé et le rapport isotopique décroît suivant la loi de décroissance radioactive. L'âge de l'échantillon est calculé à partir de la mesure de sa radioactivité exprimée en coups par minutes et par gramme de carbone. Aujourd'hui, la radioactivité du carbone des tissus vivants est de 13,56 cpm/g.


 

 

 

b) Le couple potassium40/argon40 est utilisé pour dater des roches contenant des minéraux riches en potassium (comme la grande famille des silicates). Ici pas de calcul de quantité initiale, l’argon élément-fils, s’échappe des magmas avant cristallisation. Le calcul est donc basé sur l’assertion suivante : la quantité d'argon au temps t=0 est égale à 0. Il suffit ensuite de déterminer l’importance de l’argon dans l’échantillon et de le mettre en équation avec la période T correspondant au potassium 40.

 

 

Le principe   L'isotope 40 de l'élément Potassium (40K) est radioactif. Le 40K se transforme en 40Ar par capture d'un électron. La demi-vie très longue de cette transformation (12,9 Ga - constante  = 0,581.10-10 an-1) permet d'utiliser cette méthode pour des roches très anciennes. Dans ce cas, c'est la quantité d'élément radiogénique qui peut être connue, dans des circonstances favorables.

 

3) Le couple rubidium87/strontium87 est fréquemment utilisé pour dater les roches magmatiques ou métamorphiques les plus anciennes. Les géologues s’en servent quand ils ne peuvent déterminer ni les quantités initiales de l’élément-père, ni celles de l’élément-fils . Ils font alors une analyse différentielle sur plusieurs échantillons d’une même roche. Si les échantillons ont une même composition isotopique (de même rapport 87Sr/86Sr) et ont le même âge, alors les mesures s’alignent sur une droite appelée droite isochrone . La pente de cette droite permet ensuite de calculer l’âge de la roche.

Voir tp 2

 

 

Le principe  Le rubidium est un élément souvent associé au potassium (situé juste au-dessus dans le tableau de Mendeléiev). Son isotope 87 (87Rb) qui est radioactif se désintègre en strontium 87Sr. Le Strontium est lui plutôt associé au calcium. La demi-vie est de 48,8 milliards d'années. Ce cas (qui correspond à un cas plus général de datation) est plus complexe que les deux précédents. Il s'agit de trouver l'âge de la roche alors que les quantités initiales d'isotope père et d'isotope fils sont inconnues. Pour cela, il faut des mesures provenant d'au moins deux échantillons de même origine. L'utilisation d'un isotope de référence est alors indispensable pour comparer les mesure des différents échantillons.         C'est l'isotope 86Sr qui est stable (comme 87Sr) et qui n'est pas radiogénique (contrairement à 87Sr) qui sert de référence dans ce cas. Les échantillons sont choisis suivant des critères géologiques qui permettent de supposer qu'ils ont la même origine.
    Ces échantillons sont : soit des roches magmatiques géographiquement proches, dont la composition chimique et la disposition sont compatibles avec une différenciation magmatique (voir le premier exercice), soit différents minéraux d'une même roche (cas des deux autres exemples).

    Dans les deux cas les résultats ne peuvent être fiables que si les rapports Rb/Sr initiaux sont assez différents. Le Strontium est plutôt associé au Calcium auquel il ressemble chimiquement, alors que le Rubidium est plutôt associé au Potassium. Les magmas granitiques ont ainsi des rapports 87Rb/86Sr plus élevés que les magmas basaltiques. Les rapports isotopiques initiaux du Sr sont par contre les mêmes si les échantillons ont vraiment la même origine.

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