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11.2 : Âges absolus des roches - Géosciences


Comme nous l'avons appris dans la leçon précédente, les fossiles indexés et la superposition sont des méthodes efficaces pour déterminer l'âge relatif des objets. Mais déterminer le âge absolu d'une substance (son âge en années) est un défi beaucoup plus grand. Pour ce faire, les scientifiques utilisent une variété de preuves, des cernes des arbres aux quantités de matières radioactives dans une roche.

Objectifs de la leçon

  • Définir la différence entre l'âge absolu et l'âge relatif.
  • Décrivez quatre méthodes de datation absolue.
  • Expliquez ce qu'est la radioactivité et donnez des exemples de désintégration radioactive.
  • Expliquez comment la désintégration des matières radioactives aide à établir l'âge d'un objet.
  • Estimer l'âge d'un objet, compte tenu de la demi-vie et des quantités de matières radioactives et de fils.
  • Donnez quatre exemples de matières radioactives utilisées pour dater des objets et expliquez comment chacun est utilisé.

Cernes des arbres

Dans les régions en dehors des tropiques, les arbres poussent plus rapidement pendant les mois chauds d'été que pendant l'hiver plus frais. Ce modèle de croissance se traduit par une alternance de bandes de « bois précoce » de couleur claire et de faible densité et de « bois tardif » foncé à haute densité. Chaque bande sombre représente un hiver ; en comptant les anneaux, il est possible de trouver l'âge de l'arbre (figure 11.22). La largeur d'une série d'anneaux de croissance peut donner des indices sur les climats passés et diverses perturbations telles que les incendies de forêt. Les sécheresses et autres variations climatiques font que l'arbre pousse plus lentement ou plus vite que la normale, ce qui se manifeste dans la largeur des cernes. Ces variations des cernes des arbres apparaîtront dans tous les arbres poussant dans une certaine région, afin que les scientifiques puissent faire correspondre les cernes de croissance des arbres vivants et morts. En utilisant des rondins récupérés dans de vieux bâtiments et des ruines antiques, les scientifiques ont pu comparer les cernes des arbres pour créer un enregistrement continu des cernes des arbres au cours des 2 000 dernières années. Cet enregistrement des cernes des arbres s'est avéré extrêmement utile pour créer un enregistrement du changement climatique et pour trouver l'âge des structures anciennes.

Graphique 11.22: Coupe transversale montrant les cernes de croissance. La partie épaisse et de couleur claire de chaque anneau représente une croissance printanière et estivale rapide. La partie mince et sombre de chaque anneau représente une croissance lente en automne et en hiver.

Carottes de glace et Varves

Plusieurs autres processus entraînent l'accumulation de couches annuelles distinctes qui peuvent être utilisées pour la datation. Par exemple, des couches se forment à l'intérieur des glaciers parce qu'il y a généralement moins de chutes de neige en été, ce qui permet à une couche sombre de poussière de s'accumuler sur la neige hivernale (figure 11.23). Pour étudier ces modèles, les scientifiques forent profondément dans les calottes glaciaires, produisant des carottes de plusieurs centaines de mètres de long. Les scientifiques analysent ces carottes de glace pour déterminer comment le climat a changé au fil du temps, ainsi que pour mesurer les concentrations de gaz atmosphériques. Les carottes les plus longues ont contribué à former un enregistrement du climat polaire remontant à des centaines de milliers d'années.

Graphique 11.23: Section de la carotte de glace montrant les couches annuelles.

Un autre exemple de couches annuelles est le dépôt de sédiments dans les lacs, en particulier les lacs situés à l'extrémité des glaciers. La fonte rapide du glacier en été se traduit par un épais dépôt sableux de sédiments. Ces couches épaisses alternent avec des couches minces et riches en argile déposées pendant l'hiver. Les couches résultantes, appelées varves, donnent aux scientifiques des indices sur les conditions climatiques passées. Par exemple, un été particulièrement chaud peut entraîner le dépôt d'une couche très épaisse de sédiments provenant de la fonte des glaciers. Des varves plus minces peuvent indiquer des étés plus froids, car le glacier ne fond pas autant et transporte autant de sédiments dans le lac.

Âge de la Terre

Graphique 11.24: Seigneur Kelvin.

Alors que les cernes des arbres et autres couches annuelles sont utiles pour dater des événements relativement récents, ils ne sont pas d'une grande utilité sur la vaste échelle du temps géologique. Au cours des XVIIIe et XIXe siècles, les géologues ont tenté d'estimer l'âge de la Terre avec des techniques indirectes. Par exemple, les géologues ont mesuré à quelle vitesse les cours d'eau déposaient des sédiments, afin d'essayer de calculer depuis combien de temps le cours d'eau existait. Sans surprise, ces méthodes ont abouti à des estimations très différentes, de quelques millions d'années à « quadrillions d'années ». La plus fiable de ces estimations a probablement été produite par le géologue britannique Charles Lyell, qui a estimé que 240 millions d'années se sont écoulées depuis l'apparition des premiers animaux à coquillages. Aujourd'hui, les scientifiques savent que son estimation était trop jeune ; nous savons que cela s'est produit il y a environ 530 millions d'années.

En 1892, William Thomson (plus tard connu sous le nom de Lord Kelvin) a calculé l'âge de la Terre de manière systématique (figure 11.24). Il a supposé que la Terre a commencé comme une boule de roche en fusion, qui s'est régulièrement refroidie au fil du temps. À partir de ces hypothèses, il a calculé que la Terre avait 100 millions d'années. Cette estimation a été un coup dur pour les géologues et les partisans de la théorie de l'évolution de Charles Darwin, qui nécessitait une Terre plus ancienne pour laisser le temps à l'évolution de se produire.

Les calculs de Thomson, cependant, se sont rapidement révélés erronés lorsque la radioactivité a été découverte en 1896. Radioactivité est la tendance de certains atomes à se désintégrer en atomes plus légers, émettant de l'énergie dans le processus. Les matières radioactives à l'intérieur de la Terre fournissent une source constante de chaleur. Les calculs de l'âge de la Terre à l'aide de la désintégration radioactive ont montré que la Terre est en réalité beaucoup plus ancienne que ce que Thomson a calculé.

Désintégration radioactive

La découverte de matières radioactives a fait plus que réfuter l'estimation de Thomson de l'âge de la Terre. Il a fourni un moyen de trouver l'âge absolu d'une roche. Pour comprendre comment cela se fait, il est nécessaire de revoir certains faits sur les atomes.

Les atomes contiennent trois particules : les protons, les neutrons et les électrons. Les protons et les neutrons sont situés dans le noyau, tandis que les électrons gravitent autour du noyau. Le nombre de protons détermine quel élément vous examinez. Par exemple, tous les atomes de carbone ont six protons, tous les atomes d'oxygène ont huit protons et tous les atomes d'or ont 79 protons. Le nombre de neutrons est cependant variable. Un atome d'un élément avec un nombre différent de neutrons est un isotope de cet élément. Par exemple, l'isotope carbone-12 contient 6 neutrons dans son noyau, tandis que l'isotope carbone-13 a 7 neutrons.

Certains isotopes sont radioactif, ce qui signifie qu'ils sont instables et susceptibles de se désintégrer. Cela signifie que l'atome passera spontanément d'une forme instable à une forme stable. Il existe deux formes de désintégration nucléaire qui sont pertinentes dans la façon dont les géologues peuvent dater les roches (tableau (11.1) :

ParticuleCompositionEffet sur le noyau
Alpha2 protons, 2 neutronsLe noyau contient deux protons de moins et deux neutrons de moins.
Bêta1 électronUn neutron se désintègre pour former un proton et un électron, qui est émis.

Si un élément se désintègre en perdant une particule alpha, il perdra 2 protons et 2 neutrons. Si un atome se désintègre en perdant une particule bêta, il ne perd qu'un électron.

Alors qu'est-ce que cela a à voir avec l'âge de la Terre ? La décroissance radioactive aboutit finalement à la formation de produits fille. Les matières radioactives se désintègrent à des vitesses connues. Au fil du temps, la proportion d'isotopes radioactifs diminuera et la proportion d'isotopes filles augmentera. Une roche avec une proportion relativement élevée d'isotopes radioactifs est probablement très jeune, tandis qu'une roche avec une proportion élevée de produits de filiation est probablement très ancienne.

Les scientifiques mesurent le taux de décroissance radioactive avec une unité appelée demi vie. La demi-vie d'une substance radioactive est le temps qu'il faut en moyenne à la moitié des atomes pour se désintégrer. Par exemple, imaginez une substance radioactive avec une demi-vie d'un an. Lorsqu'une roche se forme, elle contient un certain nombre d'atomes radioactifs. Après un an (une demi-vie), la moitié des atomes radioactifs se sont désintégrés pour former des produits de filiation stables, et 50 % des atomes radioactifs restent. Après une autre année (deux demi-vies), la moitié des atomes radioactifs restants se sont désintégrés et 25 % des atomes radioactifs restent. Après la troisième année (trois demi-vies), il reste 12,5 % des atomes radioactifs. Après quatre ans (quatre demi-vies), il reste 6,25 % des atomes radioactifs, et après 5 ans (cinq demi-vies), il ne reste que 3,125% des atomes radioactifs.

Si vous trouvez une roche dont la matière radioactive a une demi-vie d'un an et mesure 3,125% d'atomes radioactifs et 96,875% d'atomes filles, vous pouvez supposer que la substance a 5 ans. La décroissance des matières radioactives peut être représentée par un graphique (figure 11.25). Si vous trouvez une roche avec 75 % des atomes radioactifs restants, quel âge a-t-elle environ ?

Graphique 11.25: Désintégration d'une substance radioactive imaginaire avec une demi-vie d'un an.

Datation radiométrique des roches

Dans le processus de datation radiométrique, plusieurs isotopes sont utilisés pour dater les roches et autres matériaux. L'utilisation de plusieurs isotopes différents aide les scientifiques à vérifier l'exactitude des âges qu'ils calculent.

Datation au carbone

L'atmosphère terrestre contient trois isotopes de carbone. Le carbone 12 est stable et représente 98,9 % du carbone atmosphérique. Le carbone-13 est également stable et représente 1,1 % du carbone atmosphérique. Le carbone 14 est radioactif et se trouve en infimes quantités. Le carbone 14 est produit naturellement dans l'atmosphère lorsque les rayons cosmiques interagissent avec les atomes d'azote. La quantité de carbone 14 produite dans l'atmosphère à un moment donné a été relativement stable au fil du temps.

Le carbone 14 radioactif se désintègre en azote 14 stable en libérant une particule bêta. Les atomes d'azote sont perdus dans l'atmosphère, mais la quantité de désintégration du carbone 14 peut être estimée en mesurant la proportion de carbone 14 radioactif par rapport au carbone 12 stable. À mesure qu'une substance vieillit, la quantité relative de carbone-14 diminue.

Le carbone est retiré de l'atmosphère par les plantes au cours du processus de photosynthèse. Les animaux consomment ce carbone lorsqu'ils mangent des plantes ou d'autres animaux qui ont mangé des plantes. Par conséquent, la datation au carbone 14 peut être utilisée pour dater les restes de plantes et d'animaux. Les exemples incluent les bois d'un vieux bâtiment, les os ou les cendres d'un foyer. La datation au carbone peut être utilisée efficacement pour trouver l'âge de matériaux entre 100 et 50 000 ans.

Datation Potassium-Argon

Le potassium 40 se désintègre en argon-40 avec une demi-vie de 1,26 milliard d'années. Parce que l'argon est un gaz, il peut s'échapper du magma ou de la lave en fusion. Par conséquent, tout argon trouvé dans un cristal s'est probablement formé à la suite de la désintégration du potassium-40. La mesure du rapport du potassium-40 à l'argon-40 donnera une bonne estimation de l'âge de l'échantillon.

Le potassium est un élément commun présent dans de nombreux minéraux tels que le feldspath, le mica et l'amphibole. La technique peut être utilisée pour dater des roches ignées de 100 000 ans à plus d'un milliard d'années. Parce qu'elle peut être utilisée pour dater des matériaux géologiquement jeunes, la technique a été utile pour estimer l'âge des dépôts contenant les ossements d'ancêtres humains.

Datation uranium-plomb

Deux isotopes de l'uranium sont utilisés pour la datation radiométrique. L'uranium-238 se désintègre pour former le plomb-206 avec une demi-vie de 4,47 milliards d'années. L'uranium-235 se désintègre pour former le plomb-207 avec une demi-vie de 704 millions d'années.

La datation uranium-plomb est généralement réalisée sur des cristaux de zircon (figure 11.26). Lorsque le zircon se forme dans une roche ignée, les cristaux acceptent facilement les atomes d'uranium mais rejettent les atomes de plomb. Par conséquent, si du plomb est trouvé dans un cristal de zircon, on peut supposer qu'il a été produit à partir de la désintégration de l'uranium.

Graphique 11.26: Cristal de Zircon.

La datation uranium-plomb peut être utilisée pour dater des roches ignées de 1 million d'années à environ 4,5 milliards d'années. Certaines des roches les plus anciennes de la Terre ont été datées à l'aide de cette méthode, notamment des cristaux de zircon d'Australie vieux de 4,4 milliards d'années.

Limites de la datation radiométrique

La datation radiométrique ne peut être utilisée que sur des matériaux qui contiennent des quantités mesurables de matières radioactives et de leurs produits de filiation. Cela comprend les restes organiques (qui, par rapport aux roches, sont relativement jeunes, moins de 100 000 ans) et les roches plus anciennes. Idéalement, plusieurs techniques radiométriques différentes seront utilisées pour dater la même roche. La concordance entre ces valeurs indique que l'âge calculé est exact.

En général, la datation radiométrique fonctionne mieux pour les roches ignées et n'est pas très utile pour déterminer l'âge des roches sédimentaires. Pour estimer l'âge d'un dépôt de roche sédimentaire, les géologues recherchent des roches ignées proches ou intercalaires qui peuvent être datées. Par exemple, si une couche de roche sédimentaire est prise en sandwich entre deux couches de cendres volcaniques, son âge se situe entre les âges des deux couches de cendres.

En utilisant une combinaison de datations radiométriques, de fossiles indexés et de superpositions, les géologues ont construit une chronologie bien définie de l'histoire de la Terre. Par exemple, une coulée de lave sus-jacente peut donner une estimation fiable de l'âge d'une formation rocheuse sédimentaire à un endroit. Les fossiles index contenus dans cette formation peuvent ensuite être appariés à des fossiles situés à un endroit différent, fournissant également une bonne mesure de l'âge pour cette nouvelle formation rocheuse. Comme ce processus s'est répété partout dans le monde, nos estimations des âges des roches et des fossiles sont devenues de plus en plus précises.

Résumé de la leçon

Des techniques telles que la superposition et l'indexation des fossiles peuvent vous indiquer l'âge relatif des objets, quels objets sont plus anciens et lesquels sont plus jeunes. D'autres types de preuves sont nécessaires pour établir l'âge absolu des objets en années. Les géologues utilisent diverses techniques pour établir l'âge absolu, notamment la datation radiométrique, les cernes des arbres, les carottes de glace et les dépôts sédimentaires annuels appelés varves.

La datation radiométrique est la plus utile de ces techniques - c'est la seule technique qui puisse établir l'âge d'objets de plus de quelques milliers d'années. Les concentrations de plusieurs isotopes radioactifs (carbone-14, potassium-40, uranium-235 et -238) et de leurs produits de filiation sont utilisées pour déterminer l'âge des roches et des restes organiques.

Questions de révision

  1. Quelles sont les quatre techniques utilisées pour déterminer l'âge absolu d'un objet ou d'un événement ?
  2. Une substance radioactive a une demi-vie de 5 millions d'années. Quel est l'âge d'une roche dans laquelle il reste 25 % des atomes radioactifs d'origine ?
  3. Un scientifique étudie un morceau de tissu provenant d'un ancien site de sépulture. Elle détermine que 40 % des atomes de carbone 14 d'origine restent dans le tissu. D'après le graphique de dégradation du carbone (figure 11.27), quel est l'âge approximatif du tissu ?

    Graphique 11.27: Désintégration radioactive du Carbone-14

  4. Quel(s) isotopes radioactifs utiliseriez-vous pour dater chacun des objets suivants ? Expliquez chacun de vos choix.
    • Un morceau de granit vieux de 4 milliards d'années.
    • Un lit de cendres volcaniques vieux d'un million d'années qui contient les empreintes d'hominidés (ancêtres humains).
    • La fourrure d'un mammouth laineux récemment récupéré congelé dans un glacier.
    • Un trilobite fossilisé récupéré dans un lit de grès vieux d'environ 500 millions d'années.
  5. Le principe de l'uniformitarionisme affirme que le présent est la clé du passé. En d'autres termes, les processus que nous voyons se produire aujourd'hui ont probablement fonctionné de la même manière dans le passé. Pourquoi est-il important de supposer que le taux de décroissance radioactive est resté constant au fil du temps ?

Vocabulaire

âge absolu
L'âge d'un objet en années.
particule alpha
Particule constituée de deux protons et de deux neutrons qui est éjectée du noyau lors de la désintégration radioactive.
particule bêta
Particule constituée d'un seul électron qui est éjecté du noyau lors de la désintégration radioactive. Une particule bêta est créée lorsqu'un neutron se désintègre pour former un proton et l'électron émis.
produit fille
Substance stable produite par la désintégration d'une substance radioactive. Par exemple, l'uranium-238 se désintègre pour produire du plomb-207.
demi vie
Temps nécessaire à la moitié des atomes d'une substance radioactive pour se désintégrer et former des produits de filiation.
Noyau de glace
Cylindre de glace extrait d'un glacier ou d'une calotte glaciaire.
radioactif
Substance instable et susceptible d'émettre des particules énergétiques et des radiations.
radioactivité
Emission de particules de haute énergie et/ou rayonnement par certains atomes instables.
datation radiométrique
Processus d'utilisation des concentrations de substances radioactives et de produits de filiation pour estimer l'âge d'un matériau. À mesure que les substances vieillissent, les quantités d'atomes radioactifs diminuent tandis que les quantités de matières filles augmentent.
anneau d'arbre
Couche de bois dans un arbre qui se forme en un an. Vous pouvez déterminer l'âge d'un arbre en comptant ses anneaux.
varve
Mince couche de sédiments déposée sur le fond d'un lac au cours d'une année, généralement trouvée au fond des lacs glaciaires.

Points à considérer

  • Pourquoi les techniques telles que les cernes des arbres, les carottes de glace et les varves ne sont-elles utiles que pour les événements qui se sont produits au cours des derniers milliers d'années ?
  • Pourquoi était-il si important pour Darwin et ses disciples de prouver que la Terre était très ancienne ?
  • Pourquoi est-il important d'utiliser plus d'une méthode pour trouver l'âge d'une pierre ou d'un autre objet ?

Travaux d'exploration et d'investigation

L'âge d'une roche est déterminé par stratigraphie, une branche de la géologie qui étudie la chronologie des événements et des changements, ainsi que le développement des organismes, qui ont déterminé le développement de la Terre depuis qu'elle est devenue un corps spatial indépendant jusqu'à aujourd'hui. L'âge, ou la chronologie des créations et des événements géologiques, est déterminé en utilisant l'âge relatif et absolu.

Pour déterminer l'âge relatif d'une roche, les données des roches sédimentaires sont généralement utilisées. L'âge relatif des roches magmatiques et métamorphiques est déterminé en fonction de leur relation avec les roches sédimentaires.


Les fossiles étaient des organismes vivants

En 1666, un jeune médecin nommé Nicholas Steno a disséqué la tête d'un énorme grand requin blanc qui avait été capturé par un pêcheur près de Florence, en Italie. Steno a été frappé par la ressemblance des dents du requin avec les fossiles trouvés dans les montagnes et les collines de l'intérieur (Chiffre au dessous de).

Dent de requin fossile (à gauche) et dent de requin moderne (à droite).

La plupart des gens à l'époque ne croyaient pas que les fossiles faisaient autrefois partie des créatures vivantes. Les auteurs de cette époque pensaient que les fossiles d'animaux marins trouvés dans les hautes montagnes, à des kilomètres de n'importe quel océan, pouvaient s'expliquer de deux manières :

  • Les coquillages ont été emportés lors du déluge biblique. (Cette explication ne pouvait pas expliquer le fait que les fossiles n'étaient pas seulement trouvés sur les montagnes, mais aussi à l'intérieur des montagnes, dans des roches qui avaient été extraites des profondeurs de la surface de la Terre.)
  • Les fossiles se sont formés dans les roches à la suite de forces mystérieuses.

Mais pour Steno, la ressemblance étroite entre les fossiles et les organismes modernes était impossible à ignorer. Au lieu d'invoquer des forces surnaturelles, Steno a conclu que les fossiles faisaient autrefois partie de créatures vivantes. Il a ensuite cherché à expliquer comment des coquillages fossiles pouvaient être trouvés dans les rochers et les montagnes loin de tout océan. Cela l'a conduit aux idées qui sont discutées ci-dessous.


Quelle est la différence entre l'âge absolu et l'âge relatif des fossiles ?

Un âge absolu est déterminé généralement par spectrométrie de masse où un isotope est mesuré puis un âge peut être calculé (une explication très très basique). Donc, au final, vous pouvez dire que ce fossile a 50 000 ans (toujours avec une incertitude associée). Nous pouvons dater les matériaux de manière absolue mais il y aura toujours une plage d'incertitude, nous ne pouvons jamais connaître l'âge avec une précision infinie.

La datation relative, c'est comme regarder un gâteau à plusieurs niveaux. La couche de base doit venir en premier, puis la deuxième et enfin la troisième. Je peux donc dire que la deuxième couche est plus jeune que la première et plus vieille que la troisième mais je ne sais pas si le gâteau a 5 minutes ou 5 millions d'années. La datation relative est couramment utilisée pour examiner l'ordre relatif des événements géologiques.

Ce qui peut compliquer la datation relative, c'est quand la strate n'est pas dans le bon sens ! Parfois, les lits de roches peuvent se retourner dans l'autre sens, alors soyez très prudent lorsque vous datez des roches relativement!


QUESTIONS DE DISCUSSION

Remarque pour les enseignants : Sur la base de relations transversales, il a été établi que la pegmatite est plus jeune que l'ardoise et que l'ardoise est plus jeune que le granite. Par conséquent, l'ardoise qui contient l'acritarque et les bactéries a entre 704 millions d'années et 1408 millions d'années, car la pegmatite a 704 millions d'années et le granite a 1408 millions d'années. L'ardoise elle-même ne peut pas être datée radiométriquement, elle ne peut donc être encadrée qu'entre les âges du granite et de la pegmatite.

Le calcaire à trilobites recouvre le grès quartzeux, qui traverse la pegmatite, et le basalte traverse le calcaire. Par conséquent, les trilobites et la roche qui les contient doivent avoir moins de 704 millions d'années (l'âge de la pegmatite) et plus de 350 millions d'années (l'âge du basalte). Le calcaire lui-même ne peut pas être daté radiométriquement, il ne peut donc être encadré qu'entre les âges du granite et de la pegmatite.

Les fossiles de dinosaures Triceratops ont environ 70 millions d'années, car ils se trouvent dans du schiste et du siltstone qui contiennent des cendres volcaniques datées par radiométrie à 70 millions d'années. Tous les tricératops trouvés sous les cendres volcaniques peuvent avoir un peu plus de 70 millions d'années, et tout ce qui se trouve au-dessus peut être un peu plus jeune que 70 millions d'années. L'âge du Triceratops peut être déterminé plus précisément que celui des acritarques et bactéries et celui des trilobites car l'unité rocheuse qui contient le Triceratops peut elle-même être datée radiométriquement, contrairement à celle des autres fossiles.


Dire l'heure au parc national du Grand Canyon

Beaucoup de gens considèrent le parc national du Grand Canyon comme le premier paysage géologique au monde et une « merveille géologique ». Les falaises érodées révèlent 1,7 milliard d'années de fossiles, d'activité volcanique et d'histoire géologique.

Par Allyson Mathis et Carl Bowman

Avec l'une des expositions les plus claires de l'histoire de la roche et une histoire géologique longue et diversifiée, le Grand Canyon est un endroit idéal pour acquérir une idée du temps géologique ou « profond ». Les roches les plus anciennes exposées dans le canyon sont anciennes, vieilles de 1 840 millions d'années. Inversement, le canyon lui-même est géologiquement jeune, ayant été sculpté au cours des 6 derniers millions d'années. Des dépôts encore plus jeunes, y compris des fossiles de l'ère glaciaire dans des grottes, des coulées de lave vieilles de 1 000 ans dans le canyon occidental et des coulées de débris récemment déposées, ramènent les archives géologiques du Grand Canyon au présent.

Des gardes du parc comme Stacy Wagner présentent quotidiennement des promenades et des conférences sur la géologie au parc national du Grand Canyon. La compréhension des ressources naturelles du parc est indéniablement liée à son histoire géologique. Par conséquent, indiquer l'heure géologique est une partie importante des efforts d'interprétation du parc national du Grand Canyon (Arizona). Une appréciation du temps géologique place des sujets géologiques tels que la géomorphologie, l'origine et l'évolution du fleuve Colorado, la stratigraphie, la géologie historique et la paléontologie dans leur contexte. Malheureusement, dire l'heure géologique est un mystère pour les visiteurs et le personnel du parc sans formation en sciences de la Terre. Naturellement, un non-géoscientifique peut se demander : « Comment savez-vous cela ? » quand un géologue ou un interprète dit "Cette roche s'est formée il y a 270 millions d'années." Pour ajouter à la confusion, la littérature technique et populaire rapporte une grande variété d'âges numériques pour les roches du Grand Canyon. Par exemple, une publication peut dire que la Formation de Kaibab a 270 millions d'années, tandis qu'une autre dit 255 millions d'années. Les mêmes incohérences se présentent pour les autres unités rocheuses du parc. Au mieux, les lecteurs se demandent quels sont les âges corrects (ou « meilleurs ») et pourquoi. Au pire, ils peuvent ignorer les processus scientifiques utilisés pour mesurer le temps profond.

Lorsque l'objectif est simplement d'apprendre l'âge d'une couche rocheuse, trier les subdivisions des périodes géologiques, les noms scientifiques des fossiles d'indices microscopiques (assemblages diagnostiques de la vie passée) et les nuances des techniques de datation radiométrique est très déroutant.

De plus, la plupart des non-géoscientifiques ne trouveront pas une description de la Formation de Kaibab comme Léonardienne ou Roadienne (stades) significative. Cependant, ils seront capables de comprendre la valeur numérique de 270 millions d'années (au moins dans la mesure où le temps géologique est compréhensible).

Par conséquent, les âges numériques sont essentiels lorsque les interprètes et les gestionnaires de ressources communiquent la géologie au public et entre eux. Cependant, trouver de tels chiffres dans la littérature scientifique n'est pas facile. À moins que les chercheurs n'utilisent des techniques de datation absolue dans une étude, seul l'âge géologique relatif (c'est-à-dire la période, l'époque ou le stade) d'une unité rocheuse est généralement rapporté. De plus, les articles scientifiques qui publient des déterminations d'âge absolu ne sont pas toujours clairs sur la signification géologique de ces dates.

Compte tenu des incohérences dans les âges numériques rapportés pour les roches du Grand Canyon et de la difficulté à déterminer leurs âges, nous avons examiné la littérature technique et consulté des chercheurs pour compiler les « meilleurs » âges des roches du Grand Canyon. Par « meilleur », nous entendons les âges les plus exacts et les plus précis, compte tenu des paramètres des techniques de datation géologique et des informations disponibles à partir de l'enregistrement de la roche. Les principaux publics visés par ce travail étaient les interprètes (y compris les rangers du NPS, les guides commerciaux, les auteurs et les éditeurs) et les gestionnaires de ressources. L'objectif était de développer une liste unique d'âges numériques que les utilisateurs pourraient appliquer de manière cohérente, facilitant ainsi la compréhension de l'histoire géologique et des caractéristiques du Grand Canyon.

Rencontres Roches

Il existe deux grandes catégories de techniques de datation géologique : la datation relative et la détermination de l'âge absolu. La datation relative détermine l'ordre dans lequel une séquence d'événements géologiques (par exemple, des éruptions volcaniques, la formation de montagnes, l'élévation du niveau de la mer et le dépôt de strates sédimentaires) s'est produite, mais pas depuis combien de temps les événements se sont produits. Les déterminations d'âge absolu, telles que les déterminations d'âge radiométriques, identifient quand, en années, des événements spécifiques se sont produits. En fonction de la disponibilité de matériel datable (par exemple, des minéraux de diagnostic adaptés à la datation radiométrique) et de la présence de fossiles index, les enquêteurs ont utilisé les deux techniques pour discerner l'âge des roches exposées dans le Grand Canyon. Les roches sédimentaires, qui ne donnent généralement pas d'âges absolus, reposent sur des datations relatives, des corrélations et l'utilisation de fossiles index. Les isotopes radioactifs en décomposition dans les roches ignées et métamorphiques donnent des âges absolus.

L'une de nos préoccupations concernant la large gamme d'âges publiée dans les textes scientifiques et populaires est le potentiel de propagation d'informations obsolètes et d'erreurs. Les différents âges sont le résultat de l'amélioration des connaissances, à la fois dans l'exactitude et la précision des techniques de datation géologique, et dans les raffinements de l'échelle de temps géologique. Si les interprètes et les auteurs de publications d'intérêt général ne recherchent pas des sources scientifiques primaires pour leur information, une date de remplacement d'une publication populaire largement distribuée peut être citée par erreur encore et encore. avec des chercheurs pour compiler les « meilleurs » âges des roches du Grand Canyon. Par « meilleur », nous entendons les âges les plus exacts et les plus précis, compte tenu des paramètres des techniques de datation géologique et des informations disponibles à partir de l'enregistrement rocheux. Les principaux publics visés par ce travail étaient les interprètes (y compris les rangers du NPS, les guides commerciaux, les auteurs et les éditeurs) et les gestionnaires de ressources. L'objectif était de développer une liste unique d'âges numériques que les utilisateurs pourraient appliquer de manière cohérente, facilitant ainsi la compréhension de l'histoire géologique et des caractéristiques du Grand Canyon.

Dans Exploration of the Colorado River of the West and its Tributaries (1875) de John Wesley Powell montre clairement que les premiers géologues ont reconnu les trois principaux ensembles de roches exposés dans le Grand Canyon

L'ère des roches du Grand Canyon

En commençant par John Wesley Powell dans les années 1870, les géologues ont reconnu trois ensembles principaux, ou « ensembles », de roches exposées dans le Grand Canyon : (1) les roches cristallines de la gorge intérieure, (2) les roches inclinées du Grand Canyon Supergroupe, et (3) les roches sédimentaires stratifiées dans les deux tiers supérieurs du canyon (fig. 1). Au fur et à mesure que la connaissance de la géologie du Grand Canyon progressait, les géologues ont commencé à identifier des couches individuelles de roches. Plus de 100 noms stratigraphiques formels ont finalement été appliqués aux unités rocheuses du Grand Canyon. Par conséquent, notre projet a d'abord nécessité d'identifier les unités rocheuses pour lesquelles les âges numériques sont importants. Nous avons limité notre projet aux trois ensembles globaux de roches et aux formations rocheuses ou groupes dont les interprètes et les gestionnaires de ressources discutent régulièrement.

Afin de ne pas confondre nos utilisateurs, nous avons choisi le terme « ensemble » pour désigner les trois principaux ensembles de roches de Powell, car ce terme ne fait pas partie de la hiérarchie stratigraphique formelle telle que « groupe », « série » ou « complexe . " Les trois ensembles de roches sont classés en fonction de la position stratigraphique, de l'âge, des caractéristiques physiques et de l'histoire géologique globale (tableau 1, page 82). Les « roches du sous-sol de Vishnu » (d'épaisseur indéterminée) sont constituées d'anciennes roches ignées et métamorphiques exposées dans la gorge intérieure. Les « roches du supergroupe du Grand Canyon » (12 000 pieds [3 600 m] d'épaisseur) sont des roches sédimentaires et volcaniques du Précambrien supérieur principalement déposées dans des bassins rifts. Les « roches paléozoïques en couches » (3 000 à 4 000 pieds [900 à 1 200 m] d'épaisseur) comprennent les roches sédimentaires à plat dans les parois du canyon en « marches d'escalier » (fig. 2 et 3, pages 80 à 81).

Roches du sous-sol de Vishnu

Nous avons établi le nom informel Vishnu Basement Rocks pour toutes les anciennes roches cristallines au fond du Grand Canyon, car aucune nomenclature formelle n'englobe toutes les unités métamorphiques et les plutons ignés individuels qui y sont exposés. Nous avons choisi « Vishnu » car le public connaît le schiste de Vishnu et le « sous-sol » pour indiquer le type d'assemblage rocheux et sa position.

Les nombreuses déterminations radiométriques fiables de l'âge des roches ignées et métamorphiques du socle de Vishnu (par exemple, Ilg et al. 1996 Hawkins et al. 1996 Karlstrom et al. 2003) ont facilité notre détermination des âges numériques pour cet ensemble. Le défi consistait à interpréter la signification géologique des dates dans un contexte significatif pour les interprètes et les gestionnaires de ressources. Nous avons différencié la plus ancienne unité rocheuse du Grand Canyon, le pluton du gouffre des elfes (il y a 1 840 millions d'années), du reste des roches du sous-sol de Vishnu. Le gouffre des Elfes est nettement plus vieux, au moins 90 millions d'années, que tout autre socle rocheux. Il s'est formé avant les principales collisions tectoniques qui ont produit la plupart des autres roches composant les roches du sous-sol de Vishnu (il y a 1 680 à 1 750 millions d'années). Nous avons également choisi d'exclure quelques plutons plus jeunes, qui se sont formés il y a environ 1 400 millions d'années, de l'âge global des roches du sous-sol de Vishnu. These rocks postdate the main tectonic events that formed this set and, though interesting, are a detail better left to the advanced study of Grand Canyon geology

Grand Canyon Supergroup Rocks

Layered Paleozoic Rocks

Assigning numeric ages for units of the Layered Paleozoic Rocks was the most difficult. Because no single stratigraphic name exists for this set, Layered Paleozoic Rocks is also an informal term nevertheless, their rock type, age, and overall geologic setting naturally package them together. No reliable radiometric dates exist for these sedimentary rocks, so their ages are constrained by index fossils. Units with richer fossil records have more precise age constraints. After analyzing a unit’s fossil assemblages, researchers identify the geologic age (Beus and Morales 2003) by correlation to chronostratigraphic charts. All geologists use the same basic divisions of geologic time (e.g., eras and periods). The International Stratigraphic Chart (Grandstein and Ogg 2004 International Commission on Stratigraphy 2005) is the most accurate and up-to-date time scale available for worldwide correlation of rock units. We used it as our basis for determining the numeric ages for rocks in Grand Canyon National Park. However, investigators have used many local or regional scales, such as the North American Chronostratigraphic Scale, for finer subdivisions. These other scales work well for describing regional geology but can be difficult to correlate worldwide. The relationship between the North American Chronostratigraphic Scale and the International Stratigraphic Chart is not straightforward. Hence, we consulted Dr. Ronald Blakey, a stratigrapher at Northern Arizona University, to ensure that we had developed a set of reasonable dates for the Layered Paleozoic Rocks.

The other challenge of determining the age of the Layered Paleozoic Rocks was identifying the best single number to represent the age of each unit. Sedimentary rocks are usually deposited over long periods of time, and some units exposed in Grand Canyon contain significant gaps in the rock record, called unconformities. Furthermore, many formations, in particular the Tonto Group, record marine transgressions as sea level rose, making the unit older in the west than in the east. Because most developed areas of Grand Canyon National Park are in the eastern canyon, we targeted our compilation on the age of rocks there.

Results and Distribution

We completed our original compilation of Grand Canyon rocks in 2003. Because of refinements in the geologic time scale and new findings by researchers, we revised it in 2004. Further revisions may be necessary as knowledge of Grand Canyon geology improves, new or improved absolute dating techniques are developed, or the geologic time scale is modified. Given the current knowledge of Grand Canyon geology, table 1 compiles our best numeric ages of its rocks.

Originally, we only distributed our age compilation to staffs at the Grand Canyon Association (GCA) and Grand Canyon National Park. Both now use the numeric ages in their interpretive programs, publications, exhibits, and resource management reports (fig. 4). We later wrote a series of articles published in Nature Notes and Boatman’s Quarterly Review. These articles, which targeted lay audiences and Colorado River guides, explained geologic dating techniques and summarized the ages of Grand Canyon rocks. These publications further encouraged consistency among park cooperators who interpret and otherwise communicate the ages of Grand Canyon rocks.

The interpretive articles and age charts are available to an even wider audience through the Tour of Park Geology Web site maintained by the NPS Geologic Resources Division. The U.S. Geological Survey also used our compilation in their Geology of National Parks Web site.

Conclusions

From literature searches, consultations with geologists, and interpretations of scientific data, we compiled the numeric ages of rocks exposed in Grand Canyon National Park. Our age compilation provides information about the age of Grand Canyon rocks in a form meaningful to interpreters, park managers, and visitors. The primary outcome of this project is that the ages given for Grand Canyon rocks are more consistent in interpretive media, park documents, and popular GCA publications. While the compilation is our primary product, the interpretive publications based on this work provide additional information about how geologists tell time and why these dates are important. With this broader perspective, the age of Grand Canyon rocks becomes more meaningful. Furthermore, providing a consistent set of reliable ages adds to the credibility of geologic interpretation.

This project is a good example of collaboration among scientists, resource managers, and interpreters. Interpreters had a significant need for consistent, reliable ages for Grand Canyon rocks, which this project filled they also gained a better understanding of geologic dating techniques. With increased knowledge, interpreters may be able to facilitate greater comprehension of the science behind their geologic presentations. Additionally, this compilation and accompanying background information about dating methods can help interpreters address the socio-political controversy regarding deep time and evolution. Resource managers benefit by having an internally consistent and scientifically credible time scale to apply to internal and external geologic and paleontological work. Finally, working directly with researchers has fostered communication and credibility among park interpreters, resource managers, and the academic community


11.2: Absolute Ages of Rocks - Geosciences

How Old is That Rock?
How can you tell the age of a rock or to which geologic time period it belongs? One way is to look at any fossils the rock may contain. If any of the fossils are unique to one of the geologic time periods, then the rock was formed during that particular time period. Another way is to use the "What's on top?" rule. When you find layers of rocks in a cliff or hillside, younger rocks are on top of older rocks.

But these two methods only give the relative age of rocks--which are younger and which are older. How do we find out how old a rock is in years? Or how do we know how long ago a particular group of fossilized creatures lived?

The age of a rock in years is called its absolute age. Geologists find absolute ages by measuring the amount of certain radioactive elements in the rock. When rocks are formed, small amounts of radioactive elements usually get included. As time passes, the "parent" radioactive elements change at a regular rate into non-radioactive "daughter" elements. Thus, the older a rock is, the larger the number of daughter elements and the smaller the number of parent elements are found in the rock.

A common "parent-daughter" combination that geologists use is radioactive uranium and non-radioactive lead. As shown in the diagram above, uranium is trapped in a newly formed rock. As the rock ages, more and more of the uranium changes into lead.

The age of the rock in years can be found by measuring the rate at which a parent element decays and then measuring the ratio of parent element to daughter element in the rock. The ages in years of the different geological time periods are found by measuring the absolute ages of many rocks from all of the different periods. The absolute ages of some of the different geologic time periods are shown along the right side of the Staircase of Time.

The steps of the Staircase of Time are drawn to be almost the same size, so you might think that the time periods are the same length, but they are not. The absolute ages of rocks taken from the different time periods have shown that the time periods were of greatly differing lengths. Some were very short, like the Quaternary period (only 2 million years), while others were very long, like the Proterozoic Era (almost 2 billion years). According to absolute-age measurements, an accurate representation of the lengths of the major geologic time periods is shown in the time bar at right.

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ES10 - EARTH

The history of the Earth is told by the pieces of crust that survive the giant recycling machine of plate tectonics. The problem is that the crust is somewhat like a jigsaw puzzle that has just been dumped out of the box. The pieces may or may not all be there, and they are mixed up all over the place. It takes a clever puzzler to put it back together again. Fortunately, there are some rules that have been devised which help put the puzzle back together again. These are as follows:

Relative and absolute time

Geologists work in two ways. They order the puzzle pieces in terms of relative ages, then they try to put absolute dates on key pieces. Not every rock can be dated in an absolute sense, and the relative sense of ordering cannot possibly give the overall absolute time framework, so the two approaches go hand in hand. First we will talk about setting up the relative framework, then I'll tell you how we put absolute numbers on the geologic ages.

The rules of relative ages:

The following rules may seem obvious to you, and they should be. Nonetheless, they are quite powerful and have served geologists well. Please note that they are not LAWS, but rules-of-thumb and sometimes are not valid.

In an undeformed stack of sedimentary rocks, the oldest rocks are on the bottom and the youngest rocks are on the top.

Sedimentary rocks are deposited in continuous sheets that may have extended some considerable distance. The same rock on the opposite sides of a stream bed can be tentatively identified as the same bed.

In general, sedimentary rocks are deposited in nearly horizontal layers. Sedimentary beds which are tilted have been deformed since deposition.

If sedimentary rocks meet at an angle, or are separated by an erosional surface, there is an unconformity, which constitutes a gap in the record. There is a puzzle peice missing. There are four kinds of unconformity: 1) an angular unconformity (shown below) whereby layers meet at an angle, 2) a nonconformity where two different types of rocks meet (for example sediments overlying igneous or metamorphic rocks), 3) a disconformity where an irregular surface indicating erosion occurs between two parallel beds and 4) a paraconformity which is a planar surface between two beds which suggests a period of non-deposition, but no erosion.

If a rock includes another rock (a xenolith for "strange rock"), the xenolith is older.

If a geologic unit cuts another geologic unit (for example a dike or sill), the one that cross-cuts is younger. This also goes for faults. The fault happened AFTER the sediments were laid down.

The physical laws governing the universe operate pretty much business as usual through out geologic history. Processes going on today are similar to those that went on in the past.

Fossils show a progressive devlopment through time, and similar fossils indicate similar age rocks the world over.

Sometimes things go wrong. Meteorites fall from the skies. Ice ages come and go. Catastrophes leave their mark and forever change the face of the Earth.

Putting it together

Using the above principles, it is possible to stack up the pieces of the puzzle into an ordered pile. This ordered sequence is known as the Geologic Time Scale:

Geologic history is broken into time spans with varying durations, from longest to shortest: eons, eras, periods, and epochs. The Phanerozoic eon represents the time during which there were multi-celled plants and animals sufficiently sophisticated to leave hard parts behind (phanerozoic means "apparent life"). The Phanerozoic eon is broken into the Paleozoic, the Mesozoic and Cenozoic eras. These in turn are broken into periods. The end of the Cretaceous period is marked by the demise of the dinosaurs (along with a large fraction of every other living thing) when a large meteorite hit the Earth some 65 million years ago. You should know the geologic time scale to the level of the period. There are many mnemonics to help you remember them. My favorite is a non-sense word: COS DE CARPT-JuCr PEOMP (the PEOMP part are the epochs of the Tertiary period).

Absolute Ages

I just mentioned a meteorite impact that occurred some 65 million years ago. Nothing in what I have told you so far can give you that precise an age. In fact, counting up all the unconformities and estimating rates of sedimentary deposition from the principles of uniformitarianism led early naturalists to guess that the Earth was many millions of years old - they never dreamed that it was BILLIONS of years old!

The method of providing absolute ages to the geologic time scale became possible when radioactivity was discovered at the end of the last century. In the first few lectures I mentioned that certain isotopes of certain elements were unstable and underwent radioactive decay. Radioactive "parents" decay to stable "children" according to the following curve:

The time scale is determined by the demi vie or the time it takes for half the parent to decay away. The age of a particular sample is determined by comparing the ratio of parent to child, assuming there was no child in the sample to begin with, and none has been lost in the mean time. All radioactive elements decay in the same way, just some take a long time and some decay very rapidly. For a material to be useful to geologists, it has to have a half-life on the order of geologic processes and be around. Here is a list of commonly used isotopes and their half-lives:


Measuring Geological Time

The Geological Timescale divides the Earth’s history into several periods of differing lengths of time. There are different ways that scientists can measure geological time. These techniques are often combined together to get the most detailed dating information from a rock sequence.

Methods of dating rocks

Absolute dating involves determining a rock’s actual age as a number of years, whereas relative dating methods provide an estimate of the age of a rock by comparing it to rocks of a known age The Geological Time Scale has been created by combining both absolute and relative dating methods.

Radioactive or radiometric dating is a very important method of determining an absolute age for a rock using radioactive isotopes. As minerals crystallise in igneous and metamorphic rocks they trap certain isotopes in their crystal structure that begin to decay radioactively as soon as the mineral forms. These radioactive isotopes are parent isotopes, which decay slowly to daughter isotopes, changing the rock’s isotopic character. The rate at which the isotopes decay is in effect our "geological clock". By measuring the amount of the parent and daughter isotopes in a crystal, and then applying the decay rate, the actual age in years since the rock crystallized can be calculated. Check out this video on the Uranium – Lead dating method:

Biostratigraphy is a relative dating method that correlates rock ages using the fossils contained within rock units. Once the age range of a number of fossil species has been established using the radiometric method, fossils can provide very useful dating information. Fossils can also tell us much about the ancient environments in which sedimentary rocks were deposited.

Paleomagnetic dating involves the analysis of the magnetic alignment of iron containing minerals within a rock, and is yet another useful tool for dating rocks younger than 100 million years. The Earth’s Magnetic Poles have alternated their polarities many times in the past (changing from North – South to South – North and back). Sedimentary and igneous rocks are often imprinted with the magnetic alignment of the Earth at the time they were formed. The record of these magnetic reversals has itself been studied to create the paleomagnetic time scale, which looks like an irregular bar code. By analysing the magnetic orientation of rocks their ages can be allocated to one of the two possible sets of time ranges.


Early views and discoveries

Some estimates suggest that as much as 70 percent of all rocks outcropping from the Earth’s surface are sedimentary. Preserved in these rocks is the complex record of the many transgressions and regressions of the sea, as well as the fossil remains or other indications of now extinct organisms and the petrified sands and gravels of ancient beaches, sand dunes, and rivers.

Modern scientific understanding of the complicated story told by the rock record is rooted in the long history of observations and interpretations of natural phenomena extending back to the early Greek scholars. Xenophanes of Colophon (560?–478? bc ), for one, saw no difficulty in describing the various seashells and images of life-forms embedded in rocks as the remains of long-deceased organisms. In the correct spirit but for the wrong reasons, Herodotus (5th century bc ) felt that the small discoidal nummulitic petrifactions (actually the fossils of ancient lime-secreting marine protozoans) found in limestones outcropping at al- Jīzah, Egypt, were the preserved remains of discarded lentils left behind by the builders of the pyramids.

These early observations and interpretations represent the unstated origins of what was later to become a basic principle of uniformitarianism, the root of any attempt at linking the past (as preserved in the rock record) to the present. Loosely stated, the principle says that the various natural phenomena observed today must also have existed in the past (see below The emergence of modern geologic thought: Lyell’s promulgation of uniformitarianism).

Although quite varied opinions about the history and origins of life and of the Earth itself existed in the pre-Christian era, a divergence between Western and Eastern thought on the subject of natural history became more pronounced as a result of the extension of Christian dogma to the explanation of natural phenomena. Increasing constraints were placed upon the interpretation of nature in view of the teachings of the Bible. This required that the Earth be conceived of as a static, unchanging body, with a history that began in the not too distant past, perhaps as little as 6,000 years earlier, and an end, according to the scriptures, that was in the not too distant future. This biblical history of the Earth left little room for interpreting the Earth as a dynamic, changing system. Past catastrophes, particularly those that may have been responsible for altering the Earth’s surface such as the great flood of Noah, were considered an artifact of the earliest formative history of the Earth. As such, they were considered unlikely to recur on what was thought to be an unchanging world.

With the exception of a few prescient individuals such as Roger Bacon (c. 1220–92) and Leonardo da Vinci (1452–1519), no one stepped forward to champion an enlightened view of the natural history of the Earth until the mid-17th century. Leonardo seems to have been among the first of the Renaissance scholars to “rediscover” the uniformitarian dogma through his observations of fossil marine organisms and sediments exposed in the hills of northern Italy. He recognized that the marine organisms now found as fossils in rocks exposed in the Tuscan Hills were simply ancient animals that lived in the region when it had been covered by the sea and were eventually buried by muds along the seafloor. He also recognized that the rivers of northern Italy, flowing south from the Alps and emptying into the sea, had done so for a very long time.

In spite of this deductive approach to interpreting natural events and the possibility that they might be preserved and later observed as part of a rock outcropping, little or no attention was given to the history—namely, the sequence of events in their natural progression—that might be preserved in these same rocks.


Voir la vidéo: Datation absolue des roches de la croute continentale - SVT terminale - Les Bons Profs (Octobre 2021).