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La datation sur monocristal, un progrès considérable

Dossier - Géologie : voyage dans le temps
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Pour connaître l'histoire de notre planète, le géologue doit savoir voyager dans le temps avec précision. La nature nous offre cette possibilité grâce aux chronomètres naturels, qui sont le résultat de la désintégration du noyau de certains atomes instables dans les roches.

  
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La complexité de la nature rend les lois physiques sur des matériaux naturels pas toujours bien lisibles par les scientifiques. Ainsi, une même roche peut être formée de minéraux qui possèdent des histoires distinctes depuis la formation de cette roche. La possibilité de dater des cristaux individuels, soigneusement sélectionnés sous microscope, a permis de faire un grand pas en avant. Découvrez le fonctionnement de la datation sur monocristal.

Certains minéraux peuvent être très frais, c'est-à-dire identiques à ce qu'ils étaient au moment de leur formation, et d'autres ont pu être fortement transformés, altérés, par l'eau par exemple.

Ainsi, si l'on désire dater une roche volcanique, il peut s'avérer difficile, voire impossible, d'obtenir une population de minéraux parfaitement frais, dans lesquels l'horloge isotopique n'a jamais été perturbée depuis son démarrage. Certaines roches ne peuvent donc pas être datées par cette méthode de datation.

Cependant, la possibilité de dater des cristaux individuels, soigneusement sélectionnés sous microscope, a permis de faire un grand pas en avant.

La datation sur monocristal constitue un progrès considérable pour les géologues. Grâce à elle, certains habitats d'hominidés peuvent être datés, par exemple en datant les sols sur lesquels ils ont vécu. Ici, comparaison d'un crâne d'Homo Sapiens avec un crâne de Néandertal. © Hairymuseummatt, CC by-nc 2.0

Prenons un exemple : les hominidés fréquentaient souvent les rivages ou les bords de rivières car ils y trouvaient du poisson, des mammifères venant s'abreuver, des plantes et des fruits. Ces habitats d'hominidés peuvent être datés, par exemple en datant les sols sur lesquels ils ont vécu. Ces sols peuvent être des plages, pouvant parfois contenir des minéraux volcaniques datables, si des volcans entourent la région. Malheureusement, les grains de sable peuvent provenir de l'érosion de plusieurs volcans d'âges différents et seules des datations de nombreux monocristaux permet d'approcher la date de la formation de la plage, et donc de l'habitat des hominidés (voir ci-dessous).

Datation de cristaux individuels : uranium/plomb et potassium/argon

La datation de cristaux individuels est aujourd'hui envisageable par les méthodes uranium/plomb et potassium/argon, par exemple.

Pour cette dernière, cette technique a été rendue possible dans les années 1980, avec le développement des lasers et des spectromètres de masse à haute sensibilité, c'est-à-dire capables d'analyser précisément de très petites quantités de gaz. Pour fixer les idées, ces quantités sont de l'ordre de 10-9 cm3 de gaz à pression atmosphérique. Le laser sert à chauffer et fondre le grain pour libérer le gaz à analyser.

Le laboratoire de géochronologie de l'université de Nice a été le premier en France à utiliser cette technique de datation grain par grain ; la première formation géologique sur laquelle a été démontrée la puissance de cette nouvelle approche était une coulée de ponces du pays du Saint-Nectaire, au sud de Clermont-Ferrand (Lo Bello et al., 1987).

Les habitats d'hominidés peuvent être datés, par exemple en datant les sols sur lesquels ils ont vécu. © DR

Principe et fonctionnement de la datation sur monocristal

Ainsi, sur un site archéologique comme celui illustré sur l'image ci-dessus, on va préparer une population de minéraux et on sélectionnera une cinquantaine de grains parmi les plus frais.

Les grains sont d'abord irradiés. © DR

Ces grains sont envoyés dans un réacteur nucléaire pour être irradiés (image ci-dessus) et, à leur retour, ils sont placés dans la ligne de purification sous vide très poussé (image ci-dessous).

Les grains sont placés dans la ligne de purification sous vide très poussé. © DR

Prenons pour exemple le site archéologique d'Isernia, en Italie du Sud (Coltorti et al., 2005). Plusieurs sédiments superposés, dont certains renferment des restes archéologiques, ont été prélevés et nous plaçons donc dans l'installation deux séries de grains issus de chacun de ces sédiments.

Chaque grain est chauffé individuellement au laser pour être analysé. © DR

Nous effectuons l'analyse de chacun des grains en les chauffant individuellement au laser (image ci-dessus), en purifiant le gaz et en procédant à l'analyse isotopique au spectromètre de masse.

Diagramme appelé « spectre d'âges ». © DR

Datation d'un site archéologique

Chaque grain ayant été chauffé par étapes de température successives, nous reportons dans un diagramme appelé « spectre d'âges » les âges pour chaque étape (en ordonnée), en fonction de la température ou de la fraction de gaz (ici l'39Ar, en abscisse).

L'image ci-dessus montre les résultats obtenus. Dans le diagramme de gauche, on note des âges différents pour chaque analyse, ce qui dénote une population hétérogène de grains dans le sédiment : on est ici incapable de donner un âge au dépôt de ce sédiment, et donc au site archéologique.

En revanche, les résultats de droite montrent une grande homogénéité des résultats. Il s'agit là d'un sédiment dont les éléments volcaniques proviennent soit de la même éruption, soit d'éruptions très proches dans le temps les unes des autres.

Il est, dans ce cas, très probable que le dépôt du sédiment se soit produit juste après cette ou ces éruptions. La moyenne de 606.000 ± 2.000 ans représente donc bien l'âge du site archéologique. Sans la technique « du grain par grain », nous n'aurions pu effectuer cette datation.