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7.2 : Datation absolue - Géosciences


Le temps relatif permet aux scientifiques de raconter l'histoire des événements terrestres, mais ne fournit pas d'âges numériques spécifiques, et donc, la vitesse à laquelle les processus géologiques fonctionnent. Sur la base du principe d'uniformitarisme de Hutton (voir chapitre 1), les premiers géologues ont supposé que les processus géologiques fonctionnent lentement et que la Terre est très ancienne. Les principes de datation relatifs étaient la façon dont les scientifiques ont interprété l'histoire de la Terre jusqu'à la fin du 19ème siècle. Parce que la science avance à mesure que la technologie avance, la découverte de la radioactivité à la fin des années 1800 a fourni aux scientifiques un nouvel outil scientifique appelé datation radioisotopique. En utilisant cette nouvelle technologie, ils pourraient attribuer des unités de temps spécifiques, dans ce cas des années, aux grains minéraux dans une roche. Ces valeurs numériques ne dépendent pas de comparaisons avec d'autres roches telles que la datation relative, donc cette méthode de datation est appelée datation absolue [5]. Il existe plusieurs types de datation absolue discutés dans cette section, mais la datation radioisotopique est la plus courante et est donc l'objet de cette section.

Désintégration radioactive

Tous les éléments du tableau périodique des éléments (voir chapitre 3) contiennent des isotopes. Un isotope est un atome d'un élément avec un nombre différent de neutrons. Par exemple, l'hydrogène (H) a toujours 1 proton dans son noyau (le numéro atomique), mais le nombre de neutrons peut varier selon les isotopes (0, 1, 2). Rappelons que le nombre de neutrons ajouté au numéro atomique donne la masse atomique. Lorsque l'hydrogène a 1 proton et 0 neutron, il est parfois appelé protium (1H), lorsque l'hydrogène a 1 proton et 1 neutron, il est appelé deutérium (2H), et quand l'hydrogène a 1 proton et 2 neutrons, il est appelé tritium (3H).

De nombreux éléments ont à la fois des isotopes stables et instables. Pour l'exemple de l'hydrogène, 1Main 2H sont stables, mais 3H est instable. Les isotopes instables, appelés Isotopes radioactifs, se désintègrent spontanément avec le temps en libérant des particules subatomiques ou de l'énergie dans un processus appelé désintégration radioactive. Lorsque cela se produit, un isotope instable devient un isotope plus stable d'un autre élément. Par exemple, le carbone-14 (14C) se désintègre en azote-14 (14N).

La désintégration radioactive de n'importe quel atome individuel est un événement complètement imprévisible et aléatoire. Cependant, certains spécimens de roche contiennent un nombre énorme d'isotopes radioactifs, peut-être des milliards de milliards d'atomes, et ce grand groupe d'isotopes radioactifs a un schéma prévisible de désintégration radioactive. La décroissance radioactive de moitié des isotopes radioactifs de ce groupe prend un certain temps. Le temps qu'il faut pour que la moitié des atomes d'une substance se désintègre s'appelle le demi-vie. En d'autres termes, la demi-vie d'un isotope est le temps qu'il faut à la moitié d'un groupe d'isotopes instables pour se désintégrer en un isotope stable. La demi-vie est constante et mesurable pour un isotope radioactif donné, elle peut donc être utilisée pour calculer l'âge d'une roche. Par exemple, la demi-vie de l'uranium-238 (238U) est de 4,5 milliards d'années et la demi-vie de 14C est de 5 730 ans.

Les principes qui sous-tendent cette méthode de datation nécessitent deux hypothèses clés. Premièrement, les grains minéraux contenant l'isotope se sont formés en même temps que la roche, comme les minéraux d'une roche ignée qui s'est cristallisée à partir du magma. Deuxièmement, les cristaux minéraux restent un système fermé, ce qui signifie qu'ils ne sont pas altérés par la suite par des éléments qui entrent ou sortent d'eux.

Ces exigences imposent certaines contraintes sur les types de roches convenant à la datation, la roche ignée étant la meilleure. Les roches métamorphiques sont cristallines, mais les processus de métamorphisme peuvent réinitialiser l'horloge et les âges dérivés peuvent représenter un frottis de différents événements métamorphiques plutôt que l'âge de la cristallisation d'origine. Les roches sédimentaires détritiques contiennent des clastes provenant de roches mères distinctes provenant d'emplacements inconnus et les âges dérivés n'ont donc aucun sens. Cependant, les roches sédimentaires avec des minéraux précipités, telles que les évaporites, peuvent contenir des éléments appropriés pour la datation radioisotopique. Les couches pyroclastiques ignées et les coulées de lave au sein d'une séquence sédimentaire peuvent être utilisées pour dater la séquence. Des roches ignées transversales et des seuils peuvent être utilisés pour encadrer les âges des roches sédimentaires plus anciennes affectées. Le zircon minéral résistant, trouvé sous forme de clastes dans de nombreuses roches sédimentaires anciennes, a été utilisé avec succès pour établir des dates très anciennes, y compris l'âge des plus anciennes roches connues de la Terre [6] Sachant que les minéraux de zircon dans les sédiments métamorphisés provenaient de roches plus anciennes qui ne sont plus disponibles pour étude, les scientifiques peuvent dater le zircon pour établir l'âge des roches mères pré-métamorphiques.

Les atomes radioactifs se désintègrent de plusieurs manières. Nous en considérerons trois ici—désintégration alpha, désintégration bêta, et capture d'électrons. Désintégration alpha C'est lorsqu'une particule alpha, qui se compose de deux protons et de deux neutrons, est émise par le noyau d'un atome. C'est aussi le noyau d'un atome d'hélium ; l'hélium gazeux peut être piégé dans le réseau cristallin d'un minéral dans lequel la désintégration alpha s'est produite. Lorsqu'un atome perd deux protons de son noyau, abaissant son numéro atomique, il se transforme en un élément inférieur de deux numéros atomiques sur le tableau périodique des éléments.

Tableau périodique des éléments

La perte de quatre particules, en l'occurrence deux neutrons et deux protons, diminue également de quatre la masse de l'atome. Par exemple, la désintégration alpha a lieu dans l'isotope instable 238U, qui a un numéro atomique de 92 (92 protons) et un nombre de masse de 238 (total de tous les protons et neutrons). Lorsque 238U émet spontanément une particule alpha, il devient thorium-234 (234E). Le produit de désintégration radioactive d'un élément est appelé son isotope fille et l'élément d'origine s'appelle le isotope parent. Dans ce cas, 238U est l'isotope parent et 234C'est l'isotope fille. La demi-vie de 238U est de 4,5 milliards d'années, c'est-à-dire le temps qu'il faut à la moitié des atomes de l'isotope parent pour se désintégrer en l'isotope fille. Cet isotope de l'uranium, 238U, peut être utilisé pour la datation absolue des matériaux les plus anciens trouvés sur Terre, et même des météorites et des matériaux des premiers événements de notre système solaire.

Décomposition bêta c'est quand un neutron dans son noyau se divise en un électron et un proton. L'électron est émis par le noyau sous la forme d'un rayon bêta. Le nouveau proton augmente le numéro atomique de l'élément de un, formant un nouvel élément avec la même masse atomique que l'isotope parent. Par example, 234Th est instable et subit une désintégration bêta pour former du protactinium-234 (234Pa), qui subit également une désintégration bêta pour former de l'uranium-234 (234U). Notez que ce sont tous des isotopes d'éléments différents, mais ils ont la même masse atomique de 234. Le processus de désintégration d'éléments radioactifs comme l'uranium continue de produire des parents et des filles radioactifs jusqu'à ce qu'une fille stable ou non radioactive se forme. Une telle série est appelée une chaîne de désintégration. La chaîne de désintégration de l'isotope parent radioactif 238U progresse à travers une série de désintégrations alpha (flèches rouges sur la figure adjacente) et bêta (flèches bleues) jusqu'à ce qu'il forme l'isotope fils stable, le plomb-206 (206Pb).

Capture d'électrons C'est lorsqu'un proton dans le noyau capture un électron de l'une des couches électroniques et devient un neutron. Cela produit l'un des deux effets différents : 1) un électron saute pour remplir la tache manquante de l'électron parti et émet un rayon X, ou 2) dans ce qu'on appelle le processus Auger, un autre électron est libéré et transforme l'atome en un ion. Le numéro atomique est réduit de un et le nombre de masse reste le même. Un exemple d'élément qui se désintègre par capture d'électrons est le potassium-40 (40K). Radioactif 40Le K représente un infime pourcentage (0,012 %) du potassium naturel, dont la plupart ne sont pas radioactifs. 40K se désintègre en argon-40 (40Ar) avec une demi-vie de 1,25 milliard d'années, il est donc très utile pour dater des événements géologiques [7]. Vous trouverez ci-dessous un tableau de certains des isotopes de datation radioactifs les plus couramment utilisés et de leurs demi-vies.

ÉlémentsSymbole parentSymbole de la filleDemi-vie
Uranium-238/Plomb-206238U206Pb4,5 milliards d'années
Uranium-235/Plomb-207235U207Pb704 millions d'années
Potassium-40/Argon-4040K40Ar1,25 milliard d'années
Rubidium-87/Strontium-8787Rb87Sr48,8 milliards d'années
Carbone-14/Azote-1414C14N5 730 ans

Quelques isotopes courants utilisés pour la datation radioisotopique [7; 8].

Datation radio-isotopique

Pour un échantillon de roche donné, comment se déroule la datation ? Les isotopes parents et fils sont séparés du minéral par extraction chimique. Dans le cas de l'uranium, 238U et 235Les isotopes U sont séparés ensemble, de même que les 206Pb et 207Pb avec un instrument appelé spectromètre de masse [9].

Voici un exemple simple de calcul de l'âge en utilisant le rapport fille/parent d'isotopes. Lorsque le minéral se forme initialement, il se compose de 0 % d'isotope fille et de 100 % d'isotope parent, de sorte que le rapport fille/parent (D/P) est de 0. Après une demi-vie, la moitié du parent s'est décomposé, donc il y a 50 fille et 50 % des parents, un rapport 50/50, avec D/P = 1. Après deux demi-vies, il y a 75 % de filles et 25 % de parents (rapport 75/25) et D/P = 3. Ceci peut être calculé davantage pour une série de demi-vies comme indiqué dans le tableau. Le tableau ne montre pas plus de 10 demi-vies car, après environ 10 demi-vies, la quantité de parent restant est si petite qu'elle devient trop difficile à mesurer avec précision par analyse chimique. Les applications modernes de cette méthode ont atteint des précisions remarquables de plus ou moins deux millions d'années en 2,5 milliards d'années (soit ± 0,055%) [10]. L'application de la technique uranium/plomb dans une analyse d'échantillon donnée fournit deux horloges distinctes fonctionnant en même temps, 238U et 235U. L'existence de ces deux horloges dans le même échantillon donne un recoupement entre les deux. De nombreux échantillons géologiques contiennent plusieurs paires parent/fille, donc le recoupement des horloges confirme que la datation radio-isotopique est très fiable.

Demi-vies (#)Parent présent (%)Fille présente (%)La fille/ Ratio parentParent/ Ratio filles
Démarrer l'horloge10000infini
1505011
2257530.33
312.587.570.143
46.2593.75150.0667
53.12596.875310.0325
100.09899.910230.00098

Le rapport parent/fille en termes de demi-vie.

Une autre méthode de datation radio-isotopique implique le carbone et est utile pour dater des échantillons archéologiquement importants contenant des substances organiques comme le bois ou l'os. Datation au radiocarbone, également appelée datation au carbone, utilise l'isotope instable carbone-14 (14C) et l'isotope stable carbone-12 (12C). Le carbone-14 est constamment créé dans l'atmosphère par l'interaction de particules cosmiques avec l'azote atmosphérique-14 (14N) [11]. Les particules cosmiques telles que les neutrons frappent le noyau d'azote, expulsant un proton mais laissant le neutron dans le noyau. La collision réduit le numéro atomique d'un, le changeant de sept à six, changeant l'azote en carbone avec le même nombre de masse de 14. Le 14Le C se lie rapidement à l'oxygène (O) de l'atmosphère pour former du dioxyde de carbone (14CO2) qui se mélange avec un autre dioxyde de carbone atmosphérique (12CO2) tandis que ce mélange de gaz est incorporé à la matière vivante. Lorsqu'un organisme est vivant, le rapport de 14C/12C dans son corps ne change pas vraiment depuis le CO2 est constamment échangé avec l'atmosphère. Cependant, lorsqu'il meurt, l'horloge au radiocarbone se met à tourner au fur et à mesure que le 14C redevient 14N par la désintégration bêta, qui a une demi-vie de 5 730 ans. La technique de datation au radiocarbone est donc utile depuis environ 57 300 ans, soit environ 10 demi-vies en arrière.

La datation au radiocarbone repose sur des rapports filles-parents dérivés d'une quantité connue de parents 14C. Les premières applications de la datation au carbone supposaient la production et la concentration de 14Le C dans l'atmosphère est resté assez constant au cours des 50 000 dernières années. Cependant, on sait maintenant que le montant de la 14niveaux de C dans l'atmosphère. Les comparaisons des âges du carbone avec les données des cernes et d'autres données pour des événements connus ont permis un étalonnage fiable de la méthode de datation au radiocarbone. En tenant compte des niveaux de base de carbone 14 qui doivent être calibrés par rapport à d'autres méthodes de datation fiables, la datation au carbone s'est avérée être une méthode fiable pour dater des spécimens archéologiques et des événements géologiques très récents.

Âge de la Terre

Les travaux de Hutton et d'autres scientifiques ont attiré l'attention après la Renaissance (voir le chapitre 1), stimulant l'exploration de l'idée d'une Terre ancienne. À la fin du 19e siècle William Thompson, alias Lord Kelvin, a appliqué ses connaissances en physique pour développer l'hypothèse que la Terre a commencé comme une sphère en fusion chaude. Il a estimé que la Terre avait 98 millions d'années, mais en raison d'incertitudes dans ses calculs, il a indiqué que l'âge se situait entre 20 et 400 millions d'années [12; 13]. Cette animation (également montrée ci-dessous) illustre comment Kelvin a calculé cette plage et pourquoi ses chiffres étaient si éloignés, ce qui a à voir avec un transfert de chaleur inégal au sein de la Terre. Il a également été souligné que Kelvin n'a pas considéré la flexibilité et la convection dans le manteau terrestre comme un mécanisme de transfert de chaleur. L'estimation de Kelvin pour l'âge de la Terre a été considérée comme plausible mais non sans défi, et la découverte de la radioactivité a fourni une méthode plus précise pour déterminer les âges anciens [14].

Dans les années 1950, Clair Patterson (1922-1995) pensait pouvoir déterminer l'âge de la Terre à l'aide d'isotopes radioactifs provenant de météorites, qu'il considérait comme les premiers vestiges du système solaire présents au moment de la formation de la Terre. Patterson a analysé des échantillons de météorite pour l'uranium et le plomb à l'aide d'un spectromètre de masse. Il a utilisé la technique de datation uranium/plomb pour déterminer l'âge de la Terre à 4,55 milliards d'années, à environ 70 millions (± 1,5 %) [15]. L'estimation actuelle de l'âge de la Terre est de 4,54 milliards d'années, plus ou moins 50 millions (± 1,1%) [13]. Il est remarquable que Patterson, qui était encore étudiant diplômé à l'Université de Chicago, ait obtenu un résultat qui n'a guère été modifié depuis plus de 60 ans, même si la technologie a amélioré les méthodes de datation.

Rencontrer des événements géologiques

Les isotopes radioactifs des éléments qui sont communs dans les cristaux minéraux sont utiles pour la datation radio-isotopique. La méthode uranium/plomb, avec ses deux horloges à recoupement, est le plus souvent utilisée avec les cristaux du minéral zircon (ZrSiO4) où l'uranium peut remplacer le zirconium dans le réseau cristallin. Le zircon est résistant aux intempéries, ce qui le rend utile pour dater les événements géologiques dans les roches anciennes. Au cours d'événements métamorphiques, les cristaux de zircon peuvent former plusieurs couches cristallines, chaque couche enregistrant l'âge isotopique d'un événement, retraçant ainsi la progression de plusieurs événements métamorphiques [16].

Les géologues ont utilisé des grains de zircon pour faire des études étonnantes qui illustrent comment les conclusions scientifiques peuvent changer avec les progrès technologiques. Les cristaux de zircon d'Australie occidentale qui se sont formés lorsque la croûte s'est différenciée du manteau il y a 4,4 milliards d'années ont été déterminés comme les plus anciennes roches connues [6]. Les grains de zircon ont été incorporés dans des roches hôtes métasédimentaires, roches sédimentaires montrant des signes d'avoir subi un métamorphisme partiel. Les roches hôtes n'étaient pas très anciennes, mais les grains de zircon incrustés ont été créés il y a 4,4 milliards d'années et ont survécu aux processus ultérieurs d'altération, d'érosion, de dépôt et de métamorphisme. À partir d'autres propriétés des cristaux de zircon, les chercheurs ont conclu que non seulement les roches continentales étaient exposées au-dessus du niveau de la mer, mais aussi que les conditions sur la Terre primitive étaient suffisamment froides pour que de l'eau liquide existe à la surface. La présence d'eau liquide a permis aux processus d'altération et d'érosion de se produire [17]. Des chercheurs de l'UCLA ont étudié des cristaux de zircon vieux de 4,1 milliards d'années et ont trouvé du carbone dans les cristaux de zircon qui peut être d'origine biogène, ce qui signifie que la vie a pu exister sur Terre bien plus tôt qu'on ne le pensait auparavant [18].

Les roches ignées les mieux adaptées à la datation radioisotopique car leurs minéraux primaires fournissent des dates de cristallisation à partir du magma. Les processus métamorphiques ont tendance à réinitialiser les horloges et à entacher la date d'origine de la roche ignée. Les roches sédimentaires détritiques sont moins utiles car elles sont constituées de minéraux dérivés de plusieurs sources parentales avec potentiellement de nombreuses dates. Cependant, les scientifiques peuvent utiliser des événements ignés pour dater des séquences sédimentaires. Par exemple, si les strates sédimentaires se situent entre une coulée de lave et un lit de cendres volcaniques avec des dates radioisotopiques de 54 millions d'années et 50 millions d'années, alors les géologues connaissent les strates sédimentaires et ses fossiles formés il y a entre 54 et 50 millions d'années. Un autre exemple serait une digue volcanique vieille de 65 millions d'années qui traverse des strates sédimentaires. Cela fournit un âge limite supérieur sur les strates sédimentaires, de sorte que ces strates auraient plus de 65 millions d'années. Le potassium est commun dans les sédiments d'évaporites et a été utilisé pour la datation potassium/argon [19]. Minéraux sédimentaires primaires contenant des isotopes radioactifs comme 40K a fourni des dates pour des événements géologiques importants.

Autres techniques de rencontres absolues

Luminescence (alias Thermoluminescence) : La datation radioisotopique n'est pas la seule façon dont les scientifiques déterminent les âges numériques. La datation par luminescence mesure le temps écoulé depuis que certains minéraux silicatés, tels que les sédiments grossiers de minéraux silicatés, ont été exposés pour la dernière fois à la lumière ou à la chaleur à la surface de la Terre. Tous les sédiments enfouis sont exposés au rayonnement du rayonnement de fond normal du processus de désintégration décrit ci-dessus. Certains de ces électrons sont piégés dans le réseau cristallin de minéraux silicatés comme le quartz. Lorsqu'ils sont exposés à la surface, le rayonnement ultraviolet et la chaleur du Soleil libèrent ces électrons, mais lorsque les minéraux sont enfouis à quelques centimètres sous la surface, les électrons sont à nouveau piégés. Des échantillons de sédiments grossiers collectés à quelques mètres sous la surface sont analysés en les stimulant avec de la lumière dans un laboratoire. Cette stimulation libère les électrons piégés sous la forme d'un photon de lumière appelé luminescence. La quantité de luminescence libérée indique combien de temps le sédiment a été enfoui. La datation par luminescence n'est utile que pour dater des sédiments jeunes de moins de 1 million d'années [20; 21]. Dans l'Utah, la datation par luminescence est utilisée pour déterminer quand des couches de sédiments à gros grains ont été enfouies près d'une faille. Il s'agit d'une technique utilisée pour déterminer l'intervalle de récurrence des grands séismes sur des failles comme la faille Wasatch qui coupent principalement des matériaux à gros grains et manquent de sols organiques enfouis pour la datation au radiocarbone [22].

Piste de fission : La datation des traces de fission repose sur les dommages causés au réseau cristallin lorsqu'il est instable 238U se désintègre en produit fille 234Th et libère une particule alpha. Ces deux produits de désintégration se déplacent dans des directions opposées à travers le réseau cristallin, laissant une trace visible de dommages. Ceci est courant dans les grains minéraux uranifères tels que l'apatite. Les traces sont larges et peuvent être comptées visuellement sous un microscope optique. Le nombre de pistes correspond à l'âge des grains. La datation des traces de fission fonctionne d'environ 100 000 à 2 milliards (1 × 105 à 2 × 109) il y a des années. La datation des traces de fission a également été utilisée comme seconde horloge pour confirmer les dates obtenues par d'autres méthodes [23; 7].

Les références

5. Geyh, M. A. & Schleicher, H. Détermination de l'âge absolu : méthodes de datation physiques et chimiques et leur application, 503 pp. Spring-er-Verlag, New York (1990).

6. Wilde, S. A., Valley, J. W., Peck, W. H. & Graham, C. M. Preuve de zircons détritiques de l'existence d'une croûte continentale et d'océans sur la Terre il y a 4,4 Gyr. Nature 409, 175–178 (2001).

7. Dickin, A.P. Géologie des isotopes radiogéniques. (Cambridge University Press, 2005).

8. Jaffey, A.H., Flynn, K.F., Glendenin, L.E., Bentley, W.C. et autres. Mesure de précision des demi-vies et des activités spécifiques de l'U 235 et de l'U 238. Phys. Rév. C Nucl. Phys. (1971).

9. Dass, C. Notions de base de la spectrométrie de masse. dans Fondamentaux de la spectrométrie de masse contemporaine 1-14 (John Wiley & Sons, Inc., 2007).

10. Oberthür, T., Davis, DW, Blenkinsop, TG & Höhndorf, A. Ages minéraux précis U–Pb, systématiques Rb–Sr et Sm–Nd pour le Grand Dyke, Zimbabwe—contraintes sur les événements archéens tardifs dans le craton du Zimbabwe et ceinture Limpopo. Rés précambrienne. 113, 293–305 (2002).

11. Burleigh, R. W. F. Libby et le développement de la datation au radiocarbone. Antiquité 55, 96–98 (1981).

12. MacDougall, Doug. Horloges de la nature : comment les scientifiques mesurent l'âge de presque tout. (2008).

13. Brent Dalrymple, G. L'âge de la terre. (Stanford University Press, 1994).

14. Stacey, Le paradoxe de l'âge de la Terre de F. D. Kelvin revisité. J. Géophys. Rés. 105, 13155–13158 (2000).

15. Patterson, C. Âge des météorites et de la terre. Géochim. Cosmochim. Acta 10, 230–237 (1956).

16. Irlande, T. Nouveaux outils pour l'analyse isotopique. La science 286, 2289–2290 (1999).

17. Valley, J. H., King, E. & Wilde, S. A cool early Earth. Géologie 30, 351–354 (2002).

18. Bell, E. A., Boehnke, P., Harrison, T. & Mao, W. L. Carbone potentiellement biogénique préservé dans un zircon vieux de 4,1 milliards d'années. Proc. Natl. Acad. Sci. ETATS-UNIS. 112, 14518–14521 (2015).

19. Léost, I., Féraud, G., Blanc-Valleron, M. & Rouchy, J. Première datation absolue des évaporites de Langbeinite du Miocène par chauffage laser 40Ar/39Ar :[K2Mg2 (SO4) 3] Mine Stebnyk (Carpathian bassin d'avant-profond). Géophys. Rés. Lett. 28, 4347–4350 (2001).

20. Murray, A. & Olley, J. Précision et exactitude dans la datation par luminescence stimulée optiquement du quartz sédimentaire: un examen de l'état. Géochronométrie 21, 1–16 (2002).

21. Datation par luminescence stimulée optiquement de sédiments au cours des 200 000 dernières années. Annu. Planète Terre. Sci. 39, 461–488 (2011).

22. Christopher B. DuRoss, Stephen F. Personius, Anthony J. Crone, Susan S. Olig et William R. Lund. Intégration des données paléosismiques de plusieurs sites pour développer une chronologie objective des tremblements de terre : application au segment Weber de la zone de faille Wasatch, Utah. Bulletin de la Société sismologique d'Amérique 101, 2765–2781 (2011).

23. P van den Haute & Frans De Corte. Avancées dans la géochronologie de la piste de fission. Springer Science & Business Media (2013).


Laboratoire de datation par luminescence

Bienvenue sur le site du laboratoire de datation par luminescence USGS. Des informations décrivant les principes de la technique de rencontre, les applications et les types de rencontres, ainsi que des informations plus techniques pour les clients potentiels peuvent être trouvées sur ce site.

Qu'est-ce que la datation par luminescence ?

La datation par luminescence est une forme de géochronologie qui mesure l'énergie des photons libérés. Dans les milieux naturels, les rayonnements ionisants (U, Th, Rb, & K ) sont absorbés et stockés par les sédiments dans le réseau cristallin. Cette dose de rayonnement stockée peut être expulsée par stimulation et libérée sous forme de luminescence. L'âge calculé est le temps écoulé depuis la dernière exposition au soleil ou à une chaleur intense. La lumière du soleil blanchit le signal de luminescence et réinitialise l'horloge. Au fil du temps, le signal de luminescence augmente par exposition aux rayonnements ionisants et aux rayons cosmiques. La datation par luminescence est basée sur la quantification à la fois de la dose de rayonnement reçue par un échantillon depuis sa mise à zéro et du débit de dose qu'il a subi pendant la période d'accumulation (voir l'équation d'âge de luminescence). Les principaux minéraux utilisés dans la datation par luminescence sont le quartz et le feldspath potassique.

Types de techniques de datation par luminescence

  • Thermique (TL)
  • Stimulation optique (OSL)
    • Feu vert (GSL) - Feldspath & Quartz
    • Lumière bleue (BSL) - Quartz
    • Lumière rouge (RSL) - Feldspath volcanique et quartz
    • Post-infrarouge stimulé par infrarouge (pIRIR) – Feldspath

    Équation d'âge de luminescence, dose équivalente et débit de dose

    Hypothèses de contrôle - Méthode TL et OSL

    • Remise à zéro complète - Exposition au soleil ou à une chaleur intense (>150 °C) pendant une période prolongée
    • Luminescence stable présente - Test de plateau (TL uniquement)
    • Détermination précise du débit de dose (DR) et la teneur en humidité passée

    L'équation d'âge de luminescence : Âge = DE / RÉR

    E est mesurée en grays (dose absorbée) et communément appelée dose équivalente ou paléodose

    R est mesuré en grays/ka et communément appelé débit de dose. Composé de composants K, U, Th, Rb et de rayons cosmiques

    Détermination de la dose équivalente (DE)

    • Dose d'additif - généralement plusieurs aliquotes
    • Eau de Javel partielle - suppose un mélange de grains avec des agents de blanchiment partiels variables
    • Eau de Javel totale - suppose un zéro complet
    • Régénération - généralement une seule aliquote ou plus rarement un seul grain

    Détermination du débit de dose (DR)

    • Activation neutronique - U, Th, K , Rb
    • γ Spectrométrie - U, Th, K (Lab & Field)
    • Absorption atomique - K , Rb
    • Comptage Alpha - Utilisateur de scintillation ZnS pour α
    • Plasma à couplage inductif - Spectrométrie de masse (ICP-MS)
    • Photométrie de flamme - K

    Contributions aux sédiments

    L'application de la luminescence à la datation de matériaux archéologiques ou géologiques repose sur la détermination de deux grandeurs. Le premier est la quantité de rayonnement absorbée par l'échantillon au cours de la période écoulée depuis la date de l'événement, mesurée comme De. Pour déterminer l'âge de l'échantillon en années, De doit être divisé par la dose de rayonnement reçue par l'échantillon chaque année – le débit de dose.

    Il existe quatre types de rayonnement environnemental : les particules alpha (α), les particules bêta (β), les rayons gamma (γ) et les rayons cosmiques. Les trois premiers proviennent d'éléments naturels de l'échantillon lui-même et de son environnement. Les plus importantes de ces sources sont les isotopes radioactifs de l'uranium (U), du thorium (Th) et du potassium (K).

    Une fois les concentrations de ces trois éléments connues, des facteurs de conversion permettent de calculer le débit de dose de rayonnement (Adamiec et Aitken 1998). Par exemple, 1 % de potassium dans les sédiments produira un débit de dose de rayonnement gamma de 0,243Gy par millier d'années (Gy/ka), un débit de dose bêta de 0,782Gy/ka, mais pas de débit de dose alpha, car la décroissance de 40K ne entraîner l'émission de particules alpha. L'addition des débits de dose alpha, bêta et gamma donne le débit de dose de rayonnement total.


    8.2 Méthodes de datation relative

    La manière la plus simple et la plus intuitive de dater des entités géologiques est d'examiner les relations entre elles. Il existe quelques règles simples pour ce faire, dont certaines ont déjà été examinées au chapitre 6. Par exemple, le principe de superposition stipule que les couches sédimentaires sont déposées en séquence et, à moins que toute la séquence n'ait été retournée par processus tectoniques ou perturbés par des failles, les couches du bas sont plus anciennes que celles du haut. le principe des inclusions stipule que tous les fragments de roche inclus dans la roche doivent être plus anciens que la roche dans laquelle ils sont inclus. Par exemple, un xénolite dans une roche ignée ou un clast dans une roche sédimentaire doit être plus ancienne que la roche qui le contient (Figure 8.6).

    Figure 8.6a Un xénolite de diorite incorporé dans une coulée de lave basaltique, volcan Mauna Kea, Hawaï. La coulée de lave a eu lieu quelque temps après que la diorite se soit refroidie, soulevée puis érodée. (Hammerhead pour l'échelle) [SE]

    Figure 8.6b Clastes d'arrachement de schiste incrustés dans le grès de la Formation de Gabriola, île de Gabriola, C.-B. Les morceaux de schiste ont été érodés au fur et à mesure que le grès se déposait, de sorte que le schiste est plus ancien que le grès. [SE]

    le principe des relations transversales stipule que toute caractéristique géologique qui coupe ou perturbe une autre caractéristique doit être plus jeune que la caractéristique qui est perturbée. Un exemple de ceci est donné dans la Figure 8.7, qui montre trois couches sédimentaires différentes. La couche inférieure de grès est perturbée par deux défauts, nous pouvons donc en déduire que les failles sont plus jeunes que cette couche. Mais les failles ne semblent pas se poursuivre dans la veine de charbon, et elles ne se poursuivent certainement pas dans le grès supérieur. On peut donc en déduire que le filon de charbon est plus jeune que les failles (car cela les perturbe), et bien sûr le grès supérieur est le plus jeune de tous, car il se trouve au-dessus du filon de charbon.

    Figure 8.7 Superposition et relations transversales dans les roches du Crétacé du Groupe de Nanaimo à Nanaimo, en Colombie-Britannique. La veine de charbon a une épaisseur d'environ 50 cm. [SE ]

    Exercice 8.1 Relations transversales


    L'affleurement illustré ici (à Horseshoe Bay, en Colombie-Britannique) comporte trois principaux types de roches :

    1. Roche ignée intrusive felsique chamois/rose présente sous forme de masses quelque peu irrégulières allant du bas à droite vers le haut à gauche

    2. Basalte métamorphisé gris foncé

    3. Un dyke igné intrusif felsique gris clair de 50 cm de large s'étendant du bas à gauche au milieu à droite – décalé à plusieurs endroits

    En utilisant le principe des relations transversales décrit ci-dessus, déterminez les âges relatifs de ces trois types de roches.

    (Les bandes presque verticales sont des trous de forage à l'explosif. L'image mesure environ 7 m de diamètre.) [Photo SE]

    Un discordance représente une interruption dans le processus de dépôt des roches sédimentaires. Reconnaître les discordances est important pour comprendre les relations temporelles dans les séquences sédimentaires. Un exemple de non-conformité est illustré à la Figure 8.8. Les roches protérozoïques du groupe du Grand Canyon ont été inclinées puis érodées en une surface plane avant le dépôt des roches paléozoïques plus jeunes. La différence de temps entre la plus jeune des roches protérozoïques et la plus ancienne des roches paléozoïques est proche de 300 millions d'années. Le basculement et l'érosion des roches plus anciennes ont eu lieu pendant cette période, et s'il y a eu des dépôts dans cette zone, les preuves en ont maintenant disparu.

    Figure 8.8 La grande discordance angulaire dans le Grand Canyon, Arizona. Les roches inclinées au fond font partie du groupe protérozoïque du Grand Canyon (âgés de 825 à 1 250 Ma). Les roches plates au sommet sont paléozoïques (540 à 250 Ma). La frontière entre les deux représente un intervalle de temps de près de 300 millions d'années. [SE ]

    Il existe quatre types de non-conformités, résumés dans le tableau 8.1 et illustrés dans la figure 8.9.


    7.2 : Datation absolue - Géosciences

    Tous les articles publiés par MDPI sont rendus immédiatement disponibles dans le monde entier sous une licence en libre accès. Aucune autorisation particulière n'est requise pour réutiliser tout ou partie de l'article publié par MDPI, y compris les figures et les tableaux. Pour les articles publiés sous licence Creative Common CC BY en accès libre, toute partie de l'article peut être réutilisée sans autorisation à condition que l'article original soit clairement cité.

    Les articles de fond représentent la recherche la plus avancée avec un potentiel important d'impact élevé dans le domaine. Les articles de fond sont soumis sur invitation individuelle ou sur recommandation des éditeurs scientifiques et font l'objet d'un examen par les pairs avant leur publication.

    L'article de fond peut être soit un article de recherche original, une étude de recherche nouvelle substantielle qui implique souvent plusieurs techniques ou approches, ou un article de synthèse complet avec des mises à jour concises et précises sur les derniers progrès dans le domaine qui passe systématiquement en revue les avancées les plus passionnantes dans Littérature. Ce type d'article donne un aperçu des orientations futures de la recherche ou des applications possibles.

    Les articles du Choix de l'éditeur sont basés sur les recommandations des éditeurs scientifiques des revues MDPI du monde entier. Les rédacteurs en chef sélectionnent un petit nombre d'articles récemment publiés dans la revue qui, selon eux, seront particulièrement intéressants pour les auteurs ou importants dans ce domaine. L'objectif est de fournir un aperçu de certains des travaux les plus passionnants publiés dans les différents domaines de recherche de la revue.


    Différence entre la datation relative et la datation absolue

    Dans le domaine de la géologie, la datation est un terme important car c'est une technique par laquelle l'évaluation concernant l'âge et la période du fossile, des restes, les archéologues font des objets de valeur et des artefacts. Au début, il n'y avait pas beaucoup de méthodes de datation disponibles, mais maintenant avec les progrès de la technologie, nous avons principalement deux types de techniques pour déterminer l'âge des biens anciens. La datation relative et la datation absolue sont deux types de ces techniques qui sont en pratique pour déterminer l'âge des fossiles, des objets ou des civilisations. La datation relative est la technique de la géologie par laquelle l'âge est déterminé par rapport aux autres objets. En d'autres termes, nous pouvons dire que dans la datation relative, l'archéologue détermine lequel des deux fossiles ou des artefacts est le plus ancien. Contrairement à cela, la datation absolue est la technique qui permet de déterminer l'âge exact des artefacts, des fossiles ou des sites.

    Tableau de comparaison

    Rencontres relativesRencontres absolues
    DéfinitionLa datation relative est la technique utilisée pour savoir quel objet ou élément est le plus ancien par rapport à l'autre.La datation absolue est la technique qui indique l'âge exact de l'artefact ou du site en utilisant des méthodes telles que la datation au carbone.
    Autres nomsPas d'autre nom.Aussi connu sous le nom de datation numérique.
    MéthodesDans la datation relative, des techniques telles que la stratigraphie et la biostratigraphie sont utilisées pour savoir lequel des objets est le plus ancien.Des méthodes telles que la datation radiométrique, la datation au carbone et la méthode des électrons piégés sont utilisées.

    Qu'est-ce que la datation relative ?

    La datation relative est la technique permettant de déterminer l'âge des artefacts, des roches ou même des sites tout en comparant les uns aux autres. Dans la datation relative, l'âge exact de l'objet n'est pas connu, la seule chose qui ressort clairement est celle qui des deux artefacts est la plus ancienne. La datation relative est une technique moins avancée que la datation absolue. Dans la datation relative, la plupart des principes de bon sens sont appliqués, et il est dit que quel artefact ou objet est plus ancien que l'autre. Most commonly, the ancient factors of the rocks or objects are examined using the method called stratigraphy. In other words, we can say that the age in relative dating is ascertained by witnessing the layers of deposition or the rocks. As the word relative tells that defining the object with respect to the other object, it will be pertinent to mention here that actual numerical dates of the rocks or sites are not known in this type of dating. Other than rocks, fossils are the other most important elements in relative dating as many organisms have there remain in the sedimentary rocks. This evaluation of the rocks and fossils in relative dating is known as the biostratigraphy.

    What is Absolute Dating?

    The absolute dating is the technique to ascertain the exact numerical age of the artifacts, rocks or even sites, with using the methods like carbon dating and other. To evaluate the exact age, both the chemical and physical properties of the object are looked keenly. The main techniques used in absolute dating are carbon dating, annual cycle method, trapped electron method, and the atomic clocks. These techniques are more complex and advanced regarding technology as compared to the techniques in practice in relative dating. The absolute dating is also sometimes referred to as the relative numerical dating as it comes with the exact age of the object. The absolute dating is more reliable than the relative dating, which merely puts the different events in the time order and explains one using the other. Radiometric dating is another crucial technique through which the exact age can be obtained. In radiometric dating, the radioactive minerals within the rocks are used to know about the age of the object or the sites.


    Absolute Dating of Deep-Sea Cores by the Pa 231 /Th 230 Method

    Oxygen isotopic analysis of Globigerina-ooze cores from the Atlantic and adjacent seas showed that surface ocean temperatures underwent numerous, apparently periodical, variations during the past few hundred thousand years. C14 dating showed that the last temperature minimum of the deep-sea cores was synchronous with the last major glaciation, the Main Würm. Previous attempts to date deep-sea cores were based on the decay of uranium-unsupported Th230 (ionium). This method requires, among other conditions, that the supply of uranium-supported Th230 in sea water and the rate of non-carbonate sedimentation remained essentially constant over the time interval to be dated. Attempts to correct for possible variations in the non-carbonate sedimentation rate have been made by using such ratios as Th230/Th232 or Th230/Fe2O3. The validity of these corrections is questionable because Th230 produced in sea water by the decay of U238 and U234 has a geochemical history different from that of Th232 and Fe2O3. The requirements mentioned above need not be met if the ratio is used. Since Pa231 and Th230 are daughters of the same element, uranium, and since they decay at different rates, their ratio is a function of time alone. While information from deep-sea cores, bearing directly on Pleistocene history, has been obtained almost exclusively by isotopic and micropaleontological analysis of the foraminiferal component of Globigerina-ooze cores, dating by the decay of uranium-unsupported Th230 or by the ratio is based on the clay component where these nuclides are concentrated. Therefore, dating, by these two methods, of the stratigraphic record given by the foraminiferal component requires synchronism between the two components. Such synchronism may be exceptional, for the clay component may frequently or even generally contain some or much reworked material, even when the foraminiferal record is undisturbed. In such cases, the ages obtained may be generally greater than the ages of the events to be dated. dating of two deep-sea cores from the Caribbean, about 600 km. apart, has given a set of dates which are internally consistent identical, within the limits of error, in stratigraphically equivalent levels of the two cores and coincident with the C14 chronology. This set of dates is believed to provide a reliable, absolute time scale, extending from the present to about 175,000 years ago. and C14 measurements on deep-sea cores, C14 measurements on continental material, paleotemperature analysis of deep-sea cores, and correlation of the temperature record of the deep-sea cores with continental events provide the following ages for Pleistocene stages: postglacial, 0-10,000 years Late and Main Wurm, 10,000-30,000 years Main Würm-Early Würm interval, 30,000-50,000 years Early Würm, 50,000-65,000 years Riss/Würm interglacial, 65,000-100,000 years Riss, 100,000-130,000 years and Mindel/Riss interglacial, 130,000-175,000 years. These ages are very close to or identical with the ages given by Emiliani (1955a, 1958). Correlation between temperature variations of the deep-sea cores and continental stages preceding the last interglacial, however, is only tentative. The apparent identity of the C14 and chronologies over the entire range of the C14 method indicates that the cosmic-ray flux did not change by more than a factor of 2 during the past 60,000 years. dating of a deep-sea core from the North Atlantic gave ages which are consistently about 30,000 years greater than the ages obtained from the two Caribbean cores and the C14 chronology. This is believed to result from contamination by reworked clay, an effect which may actually exist in most deep-sea cores. Rates of sedimentation of the carbonate fraction larger than 62 μ, the carbonate fraction smaller than 62 μ, and the non-carbonate fraction, calculated for the intervals between selected dated levels, appear not to have changed markedly when averaged over time intervals of some tens of thousands of years. The rates of sedimentation during the last 11,000 years, however, were lower than during previous time intervals. A generalized temperature curve, calibrated in terms of the C14- chronology, is presented. This curve is very close to the curve previously constructed by Emiliani (1955a, 1958).


    In a series of undisturbed layered rocks each successive layer above is younger than the layer below it. Therefore, the oldest rocks are at the bottom of the sequence and the youngest are at the top. See Original Horizontality and Superposition.

    Any geologic feature that crosscuts or modifies another feature must be younger than the rocks it cuts through. The cross-cutting feature is the younger feature because there must be something previously there to cross-cut. Cross-cutting features can include folds, faults, and igneous intrusions. They can also include events like metamorphism.

    In the diagram below (Figure 0), the igneous dike must be younger than fault UNE and igneous intrusion B, because it cuts across these (and other ) features.


    Absolute dating of the youngest sediments of the Swiss Molasse basin by apatite fission track analysis

    A set of ash layer samples within the uppermost Upper Freshwater Molasse (OSM) sediments (N and E of Frauenfeld, Switzerland) was dated by apatite fission track (FT) means. The ages indicate an early Tortonian (perhaps latest Serravallian) eruption and sedimentation age of 11.5 ± 0.3 Ma. The age is in agreement with time constraints by Mammalian relicts which point to MN7-8. Due to the position of the ash layers close to the erosional gap and overlying Quaternary cover, the age represents a maximum age for the cessation of OSM sedimentation in the Swiss Molasse Basin. However, the end of Molasse sedimentation in this region had not stopped before the cover of OSM sediments by volcanic ash layers at the Höwenegg volcano (southern Germany), an event further constrained by an apatite FT age of 9.8 (−0.7/+0.8) Ma from a hornblende-bearing ash layer at Höwenegg. An isolated bentonitic ash layer occurring 25 km to the WSW of the main set of dated ashes (near Humlikon) has an age component identical to the OSM ash layers near Frauenfeld. The age suggests a source for this material within the Hegau, but is too young to be related to the volcanic activity at the Kaiserstuhl.

    The apatites from the ash layer samples show two distinct compositional populations, one very close to a Cl end member and one with apatites of equal proportions of Cl and OH end member. These populations are interpreted to have possibly originated from at least two distinct igneous sources for the ashes, separated by their eruption site or eruption time or both. The distinct compositional data on the volcanic apatites may provide a basis to clarify their origin in future work.


    Definitions for absolute dating ab·so·lute dat·ing

    Absolute dating is the process of determining an age on a specified time scale in archaeology and geology. Some scientists prefer the terms chronometric or calendar dating, as use of the word "absolute" implies an unwarranted certainty and precision. Absolute dating provides a numerical age or range in contrast with relative dating which places events in order without any measure of the age between events. In archeology, absolute dating is usually based on the physical, chemical, and life properties of the materials of artifacts, buildings, or other items that have been modified by humans and by historical associations with materials with known dates. Techniques include tree rings in timbers, radiocarbon dating of wood or bones, and trapped charge dating methods such as thermoluminescence dating of glazed ceramics. Coins found in excavations may have their production date written on them, or their may be written records describing the coin and when it was used, allowing the site to be associated with a particular calendar year.


    Most absolute dates for rocks are obtained with radiometric methods. These use radioactive minerals in rocks as geological clocks.

    The atoms of some chemical elements have different forms, called isotopes. These break down over time in a process scientists call radioactive decay. Each original isotope, called the parent, gradually decays to form a new isotope, called the daughter. Each isotope is identified with what is called a ‘mass number’. When ‘parent’ uranium-238 decays, for example, it produces subatomic particles, energy and ‘daughter’ lead-206.

    Isotopes are important to geologists because each radioactive element decays at a constant rate, which is unique to that element. These rates of decay are known, so if you can measure the proportion of parent and daughter isotopes in rocks now, you can calculate when the rocks were formed.

    Because of their unique decay rates, different elements are used for dating different age ranges. For example, the decay of potassium-40 to argon-40 is used to date rocks older than 20,000 years, and the decay of uranium-238 to lead-206 is used for rocks older than 1 million years.

    Radiocarbon dating measures radioactive isotopes in once-living organic material instead of rock, using the decay of carbon-14 to nitrogen-14. Because of the fairly fast decay rate of carbon-14, it can only be used on material up to about 60,000 years old. Geologists use radiocarbon to date such materials as wood and pollen trapped in sediment, which indicates the date of the sediment itself.

    The table below shows characteristics of some common radiometric dating methods. Geologists choose a dating method that suits the materials available in their rocks. There are over 30 radiometric methods available.

    Dating method

    Material dated

    Age range dated

    Carbon-14 to nitrogen-14 (radiocarbon)

    Organic remains, archaeological artefacts

    Tephra, loess, lake sediments

    10,000 to 400 million years ago

    20,000 to 4.5 billion years ago

    1 million to 4.5 billion years ago

    All radiometric dating methods measure isotopes in some way. Most directly measure the amount of isotopes in rocks, using a mass spectrometer. Others measure the subatomic particles that are emitted as an isotope decays. Some measure the decay of isotopes more indirectly. For example, fission track dating measures the microscopic marks left in crystals by subatomic particles from decaying isotopes. Another example is luminescence dating, which measures the energy from radioactive decay that is trapped inside nearby crystals.


    Voir la vidéo: datation absolue 5 (Octobre 2021).