T1 C2 Datation absolue

Thème 1 La Terre, la vie et l'organisation du vivant Partie B : A la recherche du passé géologique de notre planète

CHAPITRE 2 : LE TEMPS ET LES ROCHES

LA DATATION ABSOLUE

C2A3 : Le principe de la datation absolue des roches La chronologie relative ne permet pas de donner un âge chiffré et précis aux roches. En 1906, E. Rutherford utilise la radioactivité pour la première fois pour dater une roche, une uraninite âgée de 497 Ma. Problèmes : Comment dater les roches grâce à la radioactivité ? Sur quels principes physiques repose cette méthode de datation ?

Dans le lien, une vidéo sur la méthode de datation avec le 14C.Rappel : les isotopes et la radioactivité

La radioactivité est le phénomène physique par lequel des noyaux atomiques instables se transforment spontanément en d'autres atomes = désintégration. Deux isotopes d'un élèment chimique ont les mêmes propriétés chimiques mais ils auront des propriétés physiques différentes : ici, nous en aurons donc des stables, comme le 12C, ou des radioactifs, comme le 14C

La radiochronologie est la datation grâce à la radioactivité. Pour cela, on utilise des isotopes radioactifs qui sont donc utilisés comme chronomètres géologiques ou radiochronomètres. Les isotopes radioactifs disparaissent en se transformant en d’autres isotopes, de façon naturelle au cours du temps.

Exemple : un élément radioactif, le 238U, qui se désintègre en 206Pb.Et encore un autre exemple : 235U se désintègre en 207Pb. 1) Notez la définition de la période, notée T, d'un élément radioactif (on dit aussi la demi-vie) 2) Refaire le graphique avec les deux courbes : diminution de la quantité d'élément père et augmentation de la quantité d'éléments Fils, en fonction du temps. Attention à bien graduer le temps en "demi-vie" = avec les temps 0, T, 2T, 3T, … jusqu'à 5T ou 6T .

Graphique montrant l’évolution de la quantité d’éléments père et d’éléments fils radiogéniquesdans un minéral depuis la fermeture du système

à chaque fois que le temps T s'écoule, la quantité F est augmenté de moitié

à chaque fois que le temps T s'écoule, la quantité P est diminué de moitié

A SAVOIR REFAIRE !

Les géologues mesurent les concentrations de l'élèment père radioactif restant et de l'élèment fils produit grâce à un SPECTROMETRE DE MASSE :

On détermine leur âge à partir de la fermeture du système, c’est-à-dire une température de blocage ou de fermeture qui est inférieure au début de la cristallisation des minéraux ou de la roche entière. Les mesures effectuées sur des minéraux différents pourront donner des âges différents (à interpréter différemment, on pourra déterminer l’âge de la cristallisation ou du complet refroidissement par exemple). On effectue aussi cette datation sur les roches métamorphiques.

Pour dater une roche par radiochronologie, il faut que les isotopes restent piégés dans l’échantillon, aucun élément ne doit pouvoir y rentrer ou en sortir : on dit que le système doit être fermé. Les roches magmatiques (issues du refroidissement d’un magma qui va cristalliser et donner une roche) répondent bien à cette définition. En effet, dans ces roches, les minéraux cristallisent lorsque la température du magma diminue. A des températures élevées, les isotopes peuvent encore diffuser d’un minéral à l’autre: la fermeture du système est progressive au cours du refroidissement. La température de fermeture est définie comme la température en dessous de laquelle la composition isotopique d’un minéral n’est plus modifiée. Elle va dépendre du minéral mais aussi du chronomètre utilisé.

3) Indiquer les conditions indispensables à la datation absolue

Les datations sont effectuées sur des roches magmatiques ou métamorphiques La datation sera fiable que si les élèments n’ont pu ni entrer ni sortir de l’échantillon après sa formation. On dit alors que l’échantillon constitue un système fermé. L’âge obtenu = celui de la fermeture du système considéré, minéral ou roche

Exercice d'application

Le pluton granitique de Carion, à Madagascar, provient du refroidissement lent d’un magma en profondeur. On sait que dans les roches magmatiques, les minéraux cristallisent lorsque la température diminue. Mais tous les minéraux ne cristallisent pas à la même température. On utilise différents radiochronomètres, pour dater différents minéraux de ce granite.

Température de fermeture en fonction du minéral et du couple d’isotopes utilisés

Document A: Quelques radiochronomètres ou géochronomètres classiquement utilisés Le choix d’un radiochronomètre dépend de l’âge de l’objet à dater mais aussi de la présence d’éléments radioactifs dans les minéraux constituant la roche ou plus généralement dans l’élément à dater.

Datation de minéraux du pluton de Carion

Q1) En utilisant le tableau du document A, choisissez le chronomètre le plus pertinent pour dater des échantillons dont la datation relative suggère un âge de:-quelques milliers d’années-de quelques millions d’années-de plusieurs milliards d’années.

Correction datation pluton de carrion

Exercice d'application

. Q2)Expliquez pourquoi les minéraux provenant du pluton de Carion ne fournissent pas tous le même âge. Discutez de la notion de datation « absolue » d’une roche.

Correction datation pluton de carrion

Que s’est-il passé alors pour expliquer les différences d’âges mesurés sur des minéraux différents par des radiochronomètres différents ?

Donc, lors du refroidissement du magma, le zircon qui a la température de fermeture la plus élevée se ferme en premier. L’âge mesuré en utilisant ces cristaux est alors plus ancien (532,1 Ma). Les autres minéraux se ferment successivement, dans l’ordre décroissant de leur température de fermeture : la hornblende (513 Ma), puis la biotite (481,9 Ma) et enfin le feldspath potassique (466 Ma). Les différentes températures de fermeture expliquent donc que des minéraux provenant de la cristallisation d’un même magma puissent avoir des âges différents.

1ère méthode à connaître : La méthode Rubidium-Strontium

La demi-vie du rubidium est de 50 milliards d’années. Cet élément radioactif permet donc de dater des roches très anciennes proches du début de l’histoire de la Terre.Le Rubidium (87Rb) est un élément père présent dans les roches magmatiques, en quantités variables selon les minéraux considérés. Radioactif, il se désintègre très lentement en un élément fils radiogénique stable, le Strontium (87Sr). Le Strontium se présente sous la forme de 2 isotopes stables le 87Sr (issu de la désintégration du 87Rb) et le 86Sr (présent dès la formation de la roche et donc en quantité égale, constante).Ce couple paraît donc idéal pour dater les granites dont leurs minéraux : biotites et feldspaths contiennent dans leurs réseaux cristallins du rubidium et du strontium.

Résumé de la technique ! Après s'être assuré que ma roche contient bien des minéraux qui ont du Rb et du Sr

Mesurables aujourd'hui au temps t

Constantes

La seule inconnue = l'âge de ma roche

* Je reconnais sur ma formule qu'en fait j'ai l'équation d'une droite !!! y = a x + bsi si regardez bien * Je vais donc mesurer mes x et mes y dans plusieurs minéraux de mon granite. x = 87Rb / 86Sr ; et y = 87Sr / 86Sr * Je vais tracer la droite et mesurer sur mon graphique la pente "a" de cette droite. Cette valeur de pente "contient" l'âge que je recherche

y = b + x a

à partir de la pente de la droite,

Voilà, on a " t " !

2ème méthode à connaître : Le RADIOCHRONOMETRE POTASSIUM-ARGON (K/Ar)

METHODE : Le principe du radiochronomètre K/Ar Le potassium est un élément abondant dans des minéraux communs tels que les feldspaths et les micas, riches en potassium, comme les roches volcaniques. Son isotope 40K est un élément radioactif dont la désintégration produit 2 éléments : le 40Ca (88%) et le 40Ar (12%). A partir de la aloi de désintégration radioactive, on peut établir l’équation suivante: 40kt = 40Kt0 . (e-λ t) Que l’on peut écrire sous la forme: t= 1 x [ ln (40Kt0 )] λ 40kt La période du potassium est de 1,3 Ga, on peut donc l’utiliser pour des périodes postérieures à 1 Ma. La quantité de 40Kt0 (à t=0) est inconnue mais elle peut être déduite de la mesure de 40Ar. Comme l’argon est un gaz très volatile qui s’échappe du magma, il ne pourra être piégé que lors de la cristallisation. Il n’y aura donc pas d’argon présent au moment de la fermeture du système. On peut considérer que tout l’argon présent dans l’échantillon provient donc de la désintégration du potassium : 40Kt0 = 40Kt + 40Art. Par simplification on obtient donc l’équation : T = 1/λ [ ln ( 1 + 40Art / 40kt ) ] avec λ = 5,81 10-11 ans

On cherche à dater un fossile d’hominidé Orrorin tugenensis = un fossile découverte dans le bassin de Lukeino (Kénya). Aucune datation directe du fossile n’a pu être effectuée. Roches où Orrorin a été découvert sont des roches sédimentaires : pas de datation absolue possible, seulement datation relative. - Présence de filons de roches magmatiques (volcaniques + plutoniques): datation absolue possible. - Orrorin découvert dans les formations sédimentaires de Kapsomin.

La colonne stratigraphique indique que Kapsomin est encadrée au-dessus par les dolérites de Rormuch et en dessous, par le trachyte de Kabarnet. Je sais que l’application du principe de superposition (datation relative) permet de déduire que les roches sédimentaires qui incluent les fossiles d’Orrorin sont donc plus récentes que le trachyte de Kabarnet et plus anciennes que le basalte de Rormuch. - Dolérites et trachyte sont des roches magmatiques volcaniques que l’on peut dater a l’aide de géochronometres/radiochronomètres

Calculs à l’aide de la calculatrice : Trachyte de Kabarnet : t = (1/5,81∙10-11) x ln(1 + 5,623∙10-11 / 1,552∙10-7) = 6,23 Ma. Basalte de Rormuch : t = (1/5,81∙10-11) x ln(1 + 1,039∙10-11 / 3,063∙10-8) = 5,83 Ma. Les fossiles d’Orrorin ont donc un âge compris entre 6,23 Ma et 5,83 Ma.