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DATATION DES MINÉRAUX & DES ROCHES   

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In Mémoriam, professeur Pierre-André Bourque de l'Université Laval au Québec qui m'avait autorisé à utiliser ses travaux et chaleureusement encouragé à mes débuts.

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La datation est l'attribution d'une date. Ce terme peut donc s’appliquer à un événement ou à un objet dans notre cas : 

  • couche géologique ;

  • roche ;

  • minéral ;

  • fossile.

Il désigne globalement la démarche, scientifique ou non, qui consiste à déterminer le temps absolu de cet objet, et par voie de conséquence l’intervalle de temps relatif séparant l’élément daté du temps du chercheur.

On parle de « datation absolue » lorsque la datation mise en œuvre aboutit à un résultat chiffré exprimé en unité de temps (années, secondes, etc.). Par opposition, l’expression « datation relative » désigne la démarche qui consiste à déterminer l'ordre chronologique d'événements ou d'objets du passé, sans connaître leurs âges réels.

Une confusion est parfois faite entre les deux, lorsque dans le cadre d'une datation relative, la chronologie s'étend jusqu'au présent  ainsi, les « âges » des périodes définies par datation relative en stratigraphie sont souvent pris pour argent comptant, bien qu'ils n'aient de sens que comme des intervalles de temps circonscrits définis par rapport à tous les autres.

Toute datation est faite en référence à un point de repère temporel et devrait supposer sa définition ou son expression.

Ancre 1
Différentes méthodes de datation radiométrique.

DATATION ISOTOPIQUE
 DES MINÉRAUX & DES ROCHES   

Il a fallut attendre la découverte de la radioactivité par Marie et Pierre Curie, au début du 20e siècle, pour avoir enfin cet outil qui permit de se faire une idée réaliste du temps géologique, c'est-à-dire obtenir des âges géologiques absolus, et de déterminer l'âge vénérable de notre planète. 

Cet outil, la datation radiométrique, utilise certains éléments chimiques qui ont la propriété de se désintégrer radioactivement. En calculant le temps qu'a mis une certaine portion d'un élément contenu dans un minéral à se désintégrer, on obtient l'âge de formation de ce minéral.

RUTHERFORD ET SODDY

Ernest Rutherford.
Frederick Soddy.

La désintégration d'un élément radioactif découle de la loi de décroissance exponentielle énoncée en 1902 par Ernest Rutherford et Frederick Soddy. Ce phénomène régulier permet de dater les minéraux dont l'un des éléments est radioactif avec une période connue.

Dès 1905, à l'université Yale, Rutherford propose de dater des minéraux grâce à la radioactivité : « L'hélium observé dans les minéraux radioactifs est presque certainement dû à sa production par le radium et les autres substances radioactives contenus dans ces minéraux. Si le taux de production de l'hélium en fonction du poids des divers radioéléments était connu expérimentalement, il devrait être possible de déterminer l'intervalle de temps requis pour produire la quantité d'hélium observée dans des minéraux radioactifs, ou, autrement dit, de déterminer l'âge du minéral » (Traduction de G.B. Dalrymple, The age of the Earth, Stanford University Press, Stanford, 1991, p. 70-71.)

La réaction de désintégration peut se résumer ainsi : un élément parent (l'uranium dans l'exemple ci-haut) se transforme progressivement en un élément rejeton (ici le plomb). Cette désintégration met un certain temps à se faire; c'est ce paramètre temps qui nous intéresse.

 

Ici, le temps est le temps total pour que tout l'élément parent soit transformé en élément rejeton.

On peut illustrer ainsi la progression de la désintégration :

La progression de la désintégration isotopique.

Après un temps 1 (t1), une partie de la quantité originelle d'élément parent (P) aura été transformée en une quantité R1 d'élément rejeton ; il ne restera qu'une quantité P1 de l'élément parent, ce qui peut s'exprimer par le rapport R1 sur P1. Après un temps 2 (t2), on obtiendra un rapport R2 sur P2, plus grand que le précédent, ... et ainsi de suite.

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La valeur du rapport R sur P est donc fonction du temps de désintégration. Le taux de désintégration est différent d'un type de désintégration à l'autre, mais toujours le même pour une désintégration donnée. Comme on connaît bien les constantes de désintégration pour les diverses réactions qu'on utilise couramment, on est capable de calculer le temps de désintégration pour une valeur donnée du rapport R sur P, à l'aide de ces constantes. Ce qu'on calcule, c'est le temps qu'a mis la désintégration à se rendre à cette proportion entre rejeton et parent. Voilà un point très important en ce qui concerne les datations radiométriques : ce qu'on détermine, c'est depuis combien de temps la désintégration se fait ou, si on préfère, depuis combien de temps a commencé la désintégration.

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En pratique, il s'agit d'utiliser des minéraux qui contiennent des éléments radioactifs, comme par exemple le zircon, un silicate de zirconium (ZrSiO4). Dans ce minéral, une certaine quantité du zirconium peut être remplacée par l'uranium, ce qui rend le minéral utile pour les datations. Au moment où le minéral cristallise, il incorpore une certaine quantité d'uranium, mais pas de plomb. L'uranium va commencer, à ce moment, à se désintégrer radioactivement. En déterminant le rapport plomb sur uranium (rejeton/parent) par analyse en spectrométrie de masse dans un zircon donné, lequel zircon se trouve par exemple dans un granite, on peut calculer depuis combien de temps se fait la désintégration ou, en d'autres termes, depuis combien de temps a cristallisé le zircon. Comme il a cristallisé en même temps que le granite qui le contient, c'est en ce sens qu'on obtient l'âge du granite, c'est-à-dire le moment de sa formation. C'est pourquoi, on parle d'âge radiométrique, c'est-à-dire un âge obtenu par la mesure des produits de la radioactivité.

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La réaction de désintégration d'un élément donné n'est pas constante : elle est très rapide au début, et sa vitesse décroît par la suite, selon cette courbe générale :

Diagramme de désintégration isotopique.

Pour plus de commodité, on utilise un paramètre qui permet d'avoir des ordres de grandeur : la période d'un élément radioactif. La période est le temps nécessaire pour que la moitié de l'élément parent soit désintégrée.

Processus de radio datation ou datation isotopique . . . 

Tableau des principaux éléménts chimiques utilisés en datation isotopiques.
Isotopes utilisés pour la datation isotopique.

Les critères de l’échantillon à dater

L’échantillon doit être un système fermé, entendant par-là que les isotopes mesurés doivent êtres piégés dans l'échantillon. Aucun des composant ne doit avoir migré et aucun composant extérieur ne doit y avoir été ajouté. Ce qui empêche de dater les roches sédimentaires, puisqu'elles ne constituent pratiquement jamais des systèmes fermés. Les roches magmatiques et métamorphiques le peuvent. L'âge déterminé correspond à la fin du processus de cristallisation des minéraux.

 

On doit commencer par choisir l'isotope radioactif à utiliser selon l'âge à déterminer. Cet âge doit être compris entre un centième et dix fois sa période. Au-delà, la mesure est impossible car les noyaux sont trop désintégrés !

 

IMPORTANT : l’isotope ne doit pas être originaire d'une désintégration radioactive, donc radiogénique.

Processus des mesures

Deux méthodes possibles :

- mesurer de l'activité (A) des noyaux radioactifs contenus avec un compteur.
- utiliser un spectromètre de masse. L'outil de base de la géologie isotopique est le spectromètre de masse, grâce à cet appareil, on peut mesurer la population N des différents isotopes des éléments chimiques présents dans les roches et dans les minéraux.

Généralement c’est la seconde méthode qui est utilisée.

 

On considère un noyau radioactif "père" qui se transforme progressivement en noyau radioactif "fils" ou rejeton, l’isotope radiogénique.