La datation des roches terrestres par la radioactivité

Complément au Livre 'Origins'

Date : dim 08 Juin 2014 Catégorie Article Original
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Cet article fait partie des compléments du Livre Origins de Deborah et Loren Haarsma – Cliquez ici pour le sommaire –

Au lycée, les élèves apprennent comment les éléments chimiques sont classés dans le tableau périodique des éléments (hélium, carbone, fer, oxygène, or, plomb, etc..). On apprend alors que les différents éléments ont différents isotopes. Par exemple, le carbone-12, le carbone-13, et le carbone-14 sont tous des isotopes différents du carbone. Certains isotopes sont stables, mais d’autres sont instables et peuvent parfois se transformer en d’autres isotopes stables. (Par exemple, l’uranium-238 se transforme en plomb-206; le carbone-14 en azote-14.) Cette transformation est appelée radioactivité. La radioactivité est utilisée pour mesurer l’âge de la terre. L’isotope radioactif qui se transforme est appelé l’isotope parent et le produit de cette transformation est l’isotope fils. Pendant la réaction de transformation, d’autres particules énergétiques émises permettent aux scientifiques de compter le nombre de réactions une par une.

On peut mesurer les âges grâce à la radioactivité à cause de la loi caractéristique donnant le nombre d’éléments parents qui restent dans un matériau donné. La demi-vie d’un isotope radioactif est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes parents se transforment. Par exemple, l’azote-13 est instable et se transforme en carbone -13 avec une demi-vie de 10 minutes. Ceci signifie que s’il y a 16 000 atomes d’azote-13 au départ, après 10 minutes, il n’y en aura plus que 8000 (la moitié), l’autre moitié se sera transformée en carbone-13. Dans les 10 minutes suivantes, la moitié des atomes d’azote-13 restants va se transformer en carbone-13, et l’échantillon contiendra 4000 atomes de l’isotope parent (azote-13) et 12000 atomes de l’isotope fils (carbone-13).

or_big-bangLes scientifiques peuvent mesurer l’âge d’un échantillon, même s’ils n’ont pas été présents pour observer la transformation depuis le début. L’âge est déterminé en mesurant le nombre d’isotopes parents qui se sont transformés en isotopes fils. Dans l’exemple ci-dessus, si vous vous rendez dans le laboratoire pour observer un échantillon contenant ¼ d’azote-13 et ¾ de carbone-13, et que vous savez qu’au départ, cet échantillon ne contenait pas de carbone-13, alors vous savez que l’échantillon subit des transformations radioactives depuis deux demi-vies. Si vous savez aussi que la demi-vie est de 10 minutes, alors vous pouvez calculer l’âge de l’échantillon dans cette expérience qui se déroule depuis 20 minutes ! Avec un petit peu de mathématique, il est facile de déterminer l’âge de l’échantillon pour n’importe quelle proportion d’azote 13 et de carbone 13, même si vous n’étiez pas là pour observer cette transformation.

Une demi-vie de dix minutes (comme celle de l’azote-13) est trop courte pour être utile aux géologues qui sont intéressés par des échelles de temps de milliers ou de millions d’années. Les géologues utilisent donc des isotopes comme le carbone-14 (avec un demi-vie de 5 730 ans), le bérillium-10 (avec une demi vie de 1,52 million d’années), et l’uranium-238 (avec une demi-vie de 4,5 milliards d’années). Ces isotopes se transforment tellement lentement qu’il est impossible d’attendre que la moitié d’entre eux se soient transformés dans un échantillon donné. Mais les scientifiques peuvent quand même mesurer leur demi-vie. Pour un isotope comme l’uranium-238, on pourrait croire que sa demi-vie est trop longue pour observer la moindre transformation. Pourtant, le nombre d’atomes est tellement élevé dans un échantillon, même petit, pour observer des milliers de milliards de réactions au cours d’une année. On peut compter chacune d’entre-elles, et le changement dans l’activité de l’échantillon au cours d’une année sert à déterminer la demi-vie.

Pour calculer l’âge d’une roche, les géologues ont besoin de connaître :

  • La demi-vie de l’isotope parent
  • La quantité de cet isotope actuellement présente dans la roche
  • La quantité d’isotope parent dans la roche lors de sa formation

On peut mesurer les deux premiers directement, la troisième est déduite d’autres informations, comme la quantité d’isotopes fils présents dans la roche actuellement (voir l’exemple ci-dessous).

or_big-bangPour que cette méthode puisse donner un résultat fiable, la roche doit être un système fermé depuis qu’elle s’est formée jusqu’à aujourd’hui, pour qu’aucun isotope parent ou fils ne puisse quitter la roche ou se rajouter de l’extérieur. Les roches sédimentaires sont très difficilement utilisables pour la datation par la radioactivité parce qu’elles sont généralement poreuses, permettant aux eaux souterraines contenant des minéraux dissous de les pénétrer. Pour cette raison, la datation est surtout effectuée dans des roches ignées qui n’ont pas connu de métamorphisme. Les scientifiques évitent les roches contaminées et n’utilisent que l’intérieur des roches. Ils n’utilisant pas les roches qui sont composées de différents types de roches parce que différents fragments de cette roche pourraient avoir des âges différents.

Comment les scientifiques connaissent-ils le nombre d’isotopes parents dans la roche lors de sa formation ?
Les scientifiques ont différentes façons de faire cela pour différents types de datation radioactive. La façon la plus simple de voir cette question est de supposer qu’il n’y avait aucun isotope fils dans la roche au moment de sa formation. Dans ce cas, tous les isotopes fils actuellement présents dans la roche étaient des isotopes parents à l’origine, ainsi il est facile de calculer la somme totale d’atomes parents. Voici un exemple : certaines roches sont datées en utilisant la transformation du parent potassium-40 en argon-40 (le fils). L’argon-40 est un gaz dans les roches fondues, il s’échappe alors sous forme de bulles dans la lave en fusion (liquide). Une fois que la lave s’est refroidie et solidifiée, tout l’argon-40 piégé dans la roche est produit par radioactivité, la transformation du potassium-40. Lorsque les scientifiques étudient une roche ignée non contaminée, ils savent que tout l’argon-40 qu’ils observent est le résultat de la radioactivité depuis la formation de la roche. Ils peuvent alors calculer la quantité totale d’isotopes parents et le nombre de demi vie (l’âge de l’échantillon) depuis qu’il a fondu.

Lorsque c’est possible, les scientifiques croisent leurs résultats par une double (ou plus) vérification à partir d’isotopes parents différents contenus dans la roche, pour s’assurer que tous donnent le même âge. Ces vérifications multiples peuvent parfois s’effectuer sur la même roche. On a pu mesurer l’âge des roches d’un endroit particulier au Groenland plus d’une douzaine de fois à l’aide de 5 isotopes différents. Le résultat a été le même pour tous ces isotopes : 3,6 milliards d’années.

La datation radiométrique est l’une des méthodes les plus importantes pour les géologues afin de dater les roches. Mais ce n’est pas la seule méthode, les géologues disposent d’autres méthodes pour dater les roches. La méthode par la radioactivité vient renforcer ces autres méthodes, c’est souvent la méthode la plus précise.

© 2007 by Faith Alive Christian Resources, 2850 Kalamazoo Ave. SE, Grand Rapids, MI 49560.
Traduction avec autorisation : scienceetfoi.com

 

 

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