Géologie : voyage dans le temps - 29/04/2007

1 - Les acteurs naturels de la mesure du temps : les isotopes radioactifs

Nous avons tous entendu parler de la méthode du carbone 14 (on l'écrit ¹⁴C). Le chiffre 14 est le nombre de masse de ce carbone, ce qui veut dire qu'il existe d'autres « carbones », avec des nombres de masse 12 et 13. Tous ces « carbones » ont quasiment les mêmes propriétés chimiques, tout simplement parce qu'ils ont le même nombre d'électrons autour de leur noyau, ce qui leur donne d'ailleurs le nom de carbone. En revanche, ils ont une masse différente : ce sont les isotopes du carbone.

Certains de ces isotopes sont stables, alors que d'autres disparaissent en se transformant en d'autres isotopes, de façon naturelle au cours du temps : on dit qu'ils se désintègrent et qu'ils sont radioactifs. Ainsi, le carbone 14 se transforme en azote 14. Notons que cette transformation est majeure, puisqu'ici un solide se transforme en gaz !

Cette transformation est extrêmement énergétique, car elle affecte le noyau de l'atome, ce qui explique pourquoi ce phénomène radioactif peut être utilisé pour fabriquer de l'énergie ou des armes dites nucléaires.

La nature est d'une sophistication dont on a encore perçu qu'une infime partie, mais l'homme sait y déceler ce qui peut lui servir, pour le meilleur et pour le pire. Pour notre affaire, ces transformations ou désintégrations s'effectuent, statistiquement sur un très grand nombre d'isotopes, de manière si régulière que l'on peut s'en servir d'horloge.

Figure : 5

La comparaison classique est celle du sablier (Figure 5) qui laisse passer les grains de sable à débit constant lorsque les grains sont suffisamment nombreux.

2 - Que doit-on mesurer pour obtenir l'âge d'une roche?

Entendons-nous bien, nous désirons savoir depuis combien de temps une roche s'est formée, par exemple : quand une coulée de lave s'est-elle solidifiée ? Un chronomètre se définit par la transformation d'un isotope-père (P) en un isotope-fils (F) (Figure 6).

Figure : 6

L'âge calculé au temps t, aujourd'hui, pendant la mesure, ne dépendra que de deux facteurs :

• Le nombre d'isotopes-père à l'instant zéro (P₀)
• Un facteur λ (= constante de désintégration de l'isotope) qui caractérise la « vitesse » de désintégration d'un isotope-père donné , c'est-à-dire le diamètre du trou du sablier par rapport au diamètre des grains de sable.

Problème : on ne connaît pas P₀ mais seulement le nombre d'atomes père actuels (P_t), c'est-à-dire restants. On s'en sort très bien en mesurant le nombre d'atomes fils (F), et P_t, car F= P₀ - P_t

Une remarque : à chaque problème géologique son chronomètre. Si on fait de l'archéologie, on va travailler dans des périodes très récentes pour le géologue, de quelques centaines ou milliers d'années, et on va donc utiliser un chronomètre « rapide »: le ¹⁴C, à grande constante de désintégration λ (Figure 6).

En revanche, si on s'intéresse à l'apparition de la vie sur Terre, on va travailler à l'échelle du milliard d'années, et il nous faut alors un chronomètre « lent » permettant l'accès au père restant encore abondant: on utilisera alors les méthodes Uranium/Plomb, Rubidium/Strontium ou Samarium/Néodyme par exemple (Roth et Pothy, 1985).

3 - Les machines à mesurer le temps

Deux types de mesures peuvent être faites.

A - On mesure directement dans une roche ou un minéral le nombre d'isotopes-père (P_t) et d'isotopes-fils (F). Pour cela, nous devons utiliser un appareil qui permet de séparer les isotopes d'un même élément, en utilisant ce qui les distingue, c'est-à-dire leur masse.

Figure : 7

Il s'agit d'un spectromètre de masse (Figure 7), appareil très simple dans son principe , mais très sophistiqué au niveau précision de la mécanique et stabilité électronique: une source d'ions envoie un faisceau focalisé qui entre dans le champ magnétique d'un électro-aimant. Celui-ci dévie la trajectoire de chaque isotope en fonction de sa masse : c'est donc lui qui sépare les différents isotopes les uns des autres. Chaque faisceau individuel est ensuite focalisé sur un détecteur qui mesurera soit les ions individuellement, soit un courant, très faible, qui devra être fortement amplifié.

Ces appareils, très onéreux, sont utilisés pour l'utilisation des méthodes de datation classiques, telles que Uranium/plomb, Rubidium/Strontium, Potassium/Argon, etc…

B - Deuxième cas, on ne mesure pas directement le nombre d'isotopes de la roche, mais on compte les désintégrations individuelles de chaque isotope. En effet, à chaque désintégration se libère une particule de l'atome qui émet une énergie spécifique à l'isotope que l'on mesure. En fonction du type de particule émise, on utilise un compteur alpha, gamma ou béta (nom des particules émises). Cet appareillage est utilisé dans le cas des méthodes géochronologiques du plomb 210, de l'Uranium/Thorium, des isotopes du radium, etc…