SVT (Spé) — À la recherche du passé géologique de notre planète
Le temps et les roches
Datation relative, datation absolue, radiochronologie, stratigraphie
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
La géologie utilise deux méthodes de datation complémentaires. La datation relative ordonne les événements géologiques les uns par rapport aux autres grâce aux principes de stratigraphie : superposition (la couche la plus basse est la plus ancienne), continuité (une même couche a le même âge sur toute son étendue), recoupement (un événement qui en coupe un autre lui est postérieur), et identité paléontologique (des couches contenant les mêmes fossiles stratigraphiques ont le même âge). La datation absolue (radiochronologie) donne un âge en années grâce à la désintégration radioactive : on mesure le rapport isotope père/fils dans un minéral. La formule t = (1/λ)×ln(1 + D/P) utilise la constante de désintégration λ et la demi-vie T₁/₂ = ln2/λ. Exemples : ¹⁴C pour le récent (< 50 000 ans), ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr ou ²³⁸U/²⁰⁶Pb pour le très ancien.
La datation relative ne donne pas d'âge en années, mais ordonne les événements géologiques du plus ancien au plus récent grâce aux principes de stratigraphie. C'est le point de départ de toute étude géologique.
- Principe de superposition : dans une série sédimentaire non déformée, la couche la plus basse est la plus ancienne
- Principe de continuité : une même couche sédimentaire a le même âge sur toute son étendue horizontale
- Principe de recoupement : une structure (faille, filon, intrusion) qui en coupe une autre lui est postérieure
- Principe d'inclusion : un fragment de roche inclus dans une autre est plus ancien que la roche qui l'englobe
- Principe d'identité paléontologique : des couches contenant les mêmes fossiles stratigraphiques ont le même âge
- Fossile stratigraphique : espèce ayant vécu sur une courte durée mais avec une grande répartition géographique
Exemple
Sur un affleurement : couche A (calcaire à ammonites) en bas, couche B (grès) au-dessus, traversées par une faille F. Chronologie : A se dépose → B se dépose (superposition) → faille F coupe A et B (recoupement). A est le plus ancien, F le plus récent.
Piège à éviter
Le principe de superposition n'est valable que si les couches n'ont pas été retournées par des plissements tectoniques. En cas de doute, on utilise des critères de polarité (granoclassement, figures de courant).
La datation absolue donne un âge en années grâce à la désintégration radioactive. Le principe : mesurer combien d'isotope père s'est transformé en isotope fils depuis la formation de la roche.
À chaque demi-vie, la moitié des atomes radioactifs restants se désintègre.
- Basée sur la désintégration radioactive : un isotope père (P) se transforme en isotope fils (D) à un rythme constant
- Demi-vie T₁/₂ : temps au bout duquel la moitié des atomes radioactifs se sont désintégrés
- Constante de désintégration λ = ln2 / T₁/₂
- Formule : t = (1/λ) × ln(1 + D/P), avec D et P les quantités d'isotopes fils et père mesurées
- Le choix de l'isotope dépend de l'âge estimé : ¹⁴C pour < 50 000 ans, ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr pour les millions d'années, ²³⁸U/²⁰⁶Pb pour les milliards d'années
- La datation au ¹⁴C est utilisée en archéologie ; le ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr et le K/Ar en géologie
Exemple
Datation au ¹⁴C (T₁/₂ = 5 730 ans) : un os contient 25 % du ¹⁴C initial. 25 % = (½)² → 2 demi-vies se sont écoulées. Âge = 2 × 5 730 = 11 460 ans.
Piège à éviter
On ne peut pas utiliser le ¹⁴C pour dater une roche — il ne date que la matière organique (os, bois, charbon). Pour dater des roches, on utilise Rb/Sr, K/Ar ou U/Pb selon l'âge.
Problème : on ne connaît pas combien d'isotope fils était présent à l'origine. La méthode isochrone contourne cette difficulté en analysant plusieurs minéraux de la même roche.
- Problème : on ne connaît pas la quantité initiale d'isotope fils → méthode isochrone
- On mesure les rapports isotopiques dans plusieurs minéraux d'une même roche
- Les points s'alignent sur une droite (isochrone) dont la pente donne l'âge
- Plus la pente est forte, plus la roche est ancienne
- Exemple : méthode Rb/Sr — on trace ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr en fonction de ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr pour plusieurs minéraux
- L'ordonnée à l'origine donne le rapport isotopique initial
Exemple
On analyse 4 minéraux d'un granite. On trace ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr en fonction de ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr. Les 4 points s'alignent sur une droite de pente 0,0143. Avec la relation pente = e^(λt) − 1, on obtient t ≈ 1 milliard d'années.
Piège à éviter
L'isochrone ne fonctionne que si tous les minéraux se sont formés en même temps et sont restés un système fermé depuis (pas de perte ni d'apport d'isotopes). Le métamorphisme peut « remettre le chronomètre à zéro ».
La combinaison des datations relative et absolue a permis de construire l'échelle des temps géologiques et de dater la Terre à 4,57 milliards d'années.
- Âge de la Terre : ~4,57 milliards d'années (datation de météorites par U/Pb)
- L'échelle des temps géologiques combine datation relative et absolue
- Limite du ¹⁴C : ne fonctionne que pour la matière organique récente (< 50 000 ans)
- Les roches métamorphiques peuvent être « remises à zéro » par les hautes températures
- La datation K/Ar est utilisée pour les roches volcaniques (le potassium est piégé dans les minéraux lors de la cristallisation)
Exemple
On ne date pas directement la Terre (pas de roche d'origine conservée). On date des météorites (même âge que le système solaire) par U/Pb : 4,567 ± 0,001 Ga. Le plus vieux minéral terrestre connu a ~4,4 Ga (zircons de Jack Hills, Australie) ; la plus vieille roche, ~4,0 Ga (gneiss d'Acasta, Canada).
Piège à éviter
La datation K/Ar suppose que tout l'argon (⁴⁰Ar) mesuré provient de la désintégration du ⁴⁰K. Or l'argon est un gaz qui peut s'échapper si la roche est chauffée → sous-estimation de l'âge. C'est pourquoi cette méthode ne fonctionne bien que pour les roches volcaniques (l'argon s'échappe de la lave lors de l'éruption : le chronomètre part de zéro).
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Le temps et les roches, extraits du quiz de révision.
Le principe de superposition stipule que :
Réponse :
La couche inférieure est la plus ancienne
Dans une série sédimentaire non déformée, la couche la plus basse s'est déposée en premier : elle est la plus ancienne. La plus haute est la plus récente.
La demi-vie T₁/₂ est :
Réponse :
Le temps pour que la moitié des atomes radioactifs se désintègrent
La demi-vie est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes de l'isotope père se transforment en isotope fils. C'est une constante caractéristique de chaque isotope.
Le ¹⁴C est utilisé pour dater :
Réponse :
De la matière organique récente (< 50 000 ans)
Le ¹⁴C a une demi-vie de 5 730 ans. Il ne permet de dater que la matière organique récente (bois, os, charbon) jusqu'à environ 50 000 ans.
Un fossile stratigraphique doit avoir :
Réponse :
Vécu peu de temps avec une grande répartition géographique
Un bon fossile stratigraphique a existé sur une courte durée (bonne résolution temporelle) et sur une large aire géographique (corrélation entre sites éloignés).