Fiche de révision : Datation radioactive et isotopes

📋 Plan du Cours

1. Stratigraphie de Sténon, datation relative et superposition
2. Recoupement et inclusion
3. Polarité et contacts géologiques
4. Lacunes stratigraphiques
5. Principe de continuité
6. Fossiles et échelle stratigraphique
7. Datation absolue et noyau atomique
8. Isotopes et éléments radiogéniques
9. Désintégration radioactive et demi-vie
10. Datation Rubidium-Strontium
11. Conditions et limites de datation
12. Datation au carbone 14
13. Couples isotopiques et domaines de datation
14. Conditions de la méthode potassium-argon
15. Datation relative et lecture des coupes

📖 1. Stratigraphie de Sténon, datation relative et superposition

🔑 Notions clés & Définitions

• Principe de continuité : Énonce qu’un même banc a partout le même âge sur toute son étendue, car il s’est déposé ou formé dans un même intervalle de temps.

• Datation relative : Positionne les événements biologiques ou géologiques les uns par rapport aux autres à partir des relations géométriques entre les structures géologiques et de leurs caractères paléontologiques.

★ À maîtriser

• Sténon pose les fondements de la stratigraphie en formulant notamment les principes de superposition et de continuité et en déduisant que les couches inclinées ont été horizontales avant leur déformation. - Prodrome, 1669

📌 Dans une série sédimentaire non ou peu déformée, toute couche est plus récente que celles qu’elle recouvre et plus ancienne que celles qui la recouvrent.

• Les couches sédimentaires se déposent les unes sur les autres, les plus anciennes à la base et les plus récentes au sommet.

Compléments

• Dès 1667, Niels Steensen, aussi nommé Niels Sténon, introduit les notions et les termes de « strates » et de « sédiments » dans un ouvrage d’anatomie.

• Dans son ouvrage Prodrome (1669), Sténon développe l’idée que les couches du sous-sol sont d’anciens sédiments déposés au fond de l’eau puis indurés et qu’elles contiennent des restes d’animaux aquatiques.

• La datation relative repose sur deux méthodes : les méthodes géométriques et la méthode paléontologique.

• Le principe de superposition s’applique aussi aux séries sédimentaires plissées : l’ordre relatif des strates reste respecté malgré leur inclinaison.

💡 Astuce mémo

À la base, l’ancien ; au sommet, le récent.

📖 2. Recoupement et inclusion

★ À maîtriser

• Un événement qui modifie la géométrie ou la continuité d’une structure géologique est postérieur à cette structure.

• Un corps rocheux qui en recoupe un autre est nécessairement plus jeune que le corps recoupé.

• Un élément minéral ou rocheux inclus dans un autre élément en formation est antérieur à l’élément qui le contient.

Compléments

• Une faille est un événement tectonique caractérisé par le déplacement des blocs de part et d’autre d’une fissure, qui décale des strates de même âge.

📌 Une faille, un pli ou un charriage qui déforme une roche est postérieur à la formation de cette roche.

• Une roche peut être coupée par :
  • un filon
  • un massif intrusif ou pluton
  • une auréole de métamorphisme

💡 Astuce mémo

Le recoupant est plus jeune ; l’inclus est plus ancien.

📖 3. Polarité et contacts géologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Concordance : Contact où les couches sédimentaires sont restées parallèles et dans l’ordre de leur dépôt.

• Discordance : Contact anormal où une couche récente repose horizontalement sur des couches antérieurement plissées et érodées.

★ À maîtriser

• Les critères de polarité cités sont :
  • le granoclassement vertical
  • les fossiles en position de vie
  • les fentes de dessiccation

Compléments

• Les critères de polarité servent à orienter les couches ou les strates.

• Une discordance angulaire indique qu’un mouvement tectonique s’est produit entre deux périodes de sédimentation.

• Dans les exemples de couches horizontales et parallèles, une couche régionale ou locale de C peut manquer parce qu’elle n’a pas été déposée ou qu’elle a été érodée après sédimentation.

• La formation d’une discordance angulaire comprend le dépôt horizontal des couches, leur plissement et leur soulèvement, leur érosion, puis un nouveau dépôt.

💡 Astuce mémo

Dépôt horizontal → déformation et érosion → nouveau dépôt.

📖 4. Lacunes stratigraphiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Lacune stratigraphique : Absence d’une ou plusieurs couches dans une série sédimentaire, correspondant à une discontinuité chronologique entre deux couches.

★ À maîtriser

📌 Une lacune de sédimentation résulte du non-dépôt d’une ou plusieurs couches, tandis qu’une lacune d’érosion résulte de la disparition par érosion de couches qui s’étaient déposées avant la reprise de la sédimentation.

Compléments

• Une régression marine peut faire émerger une région et expliquer le non-dépôt à l’origine d’une lacune de sédimentation.

💡 Astuce mémo

Non-dépôt : la couche ne se forme pas ; érosion : elle se forme puis disparaît.

📖 5. Principe de continuité

★ À maîtriser

📌 Selon le principe de continuité, une même couche conserve le même âge et les mêmes caractéristiques sur toute son étendue.

📌 Des strates de compositions différentes encadrées par le même mur et le même toit peuvent constituer une même couche et avoir le même âge.

Compléments

• L’érosion peut altérer la continuité des strates rocheuses sur de courtes ou de longues distances.

• Pour comparer une strate, le géologue étudie sa composition et son faciès ainsi que la strate sous-jacente, appelée mur, et la strate sus-jacente, appelée toit.

📖 6. Fossiles et échelle stratigraphique

🔑 Notions clés & Définitions

• Fossile stratigraphique : Permet la datation relative d’une formation géologique et appartient à une espèce à évolution rapide, de durée d’existence relativement brève et de large répartition géographique.
• Fossile de faciès : Caractérise un milieu de sédimentation particulier et possède une faible vitesse d’évolution.

★ À maîtriser

📌 Un fossile stratigraphique, ou chronostratigraphique, sert de marqueur temporel, tandis qu’un fossile de faciès caractérise un milieu de sédimentation particulier.

📌 Selon le principe de l’identité paléontologique, deux couches ayant le même contenu fossilifère sont de même âge.

Compléments

• Les ammonites sont des mollusques céphalopodes ayant vécu durant l’ère secondaire et constituent un exemple de fossiles stratigraphiques.

• L’échelle stratigraphique internationale est une référence temporelle de valeur internationale utilisée dans les études géologiques.

💡 Astuce mémo

Le fossile stratigraphique date ; le fossile de faciès indique le milieu.

📖 7. Datation absolue et noyau atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Datation absolue : Situe des événements dans le temps en leur attribuant un âge exprimé en années, ka, Ma ou Ga.
• Noyau atomique : Partie centrale de l’atome, constituée de protons chargés positivement et de neutrons de charge nulle.
• Radioactivité : Désintégration spontanée d’un noyau qui forme d’autres éléments.

★ À maîtriser

• La datation absolue repose sur la décroissance radioactive d’isotopes de certains éléments chimiques.

Compléments

• Lors de la formation d’un système comme un être vivant, un fossile ou une roche, ses éléments radioactifs se désintègrent au cours du temps et se transforment en d’autres éléments avec émission de rayonnements.

• Le nombre de protons détermine le numéro atomique Z et la nature de l’atome.

• Le nombre de neutrons n’influe pas sur la nature de l’atome.

• Le nombre de masse A correspond à la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons, qui sont les nucléons.

💡 Astuce mémo

Désintégration radioactive → transformation des éléments au cours du temps.

📖 8. Isotopes et éléments radiogéniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotope : Nucléides d’un même élément chimique ayant le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons.
• Élément radiogénique : Un isotope radioactif père se désintègre pour donner un isotope radiogénique fils stable.

📝 Points essentiels

• Le chlore de numéro atomique 17 possède notamment le chlore 35 avec 18 neutrons et le chlore 37 avec 20 neutrons.

• Les nucléides ¹²C, ¹³C et ¹⁴C sont trois isotopes du carbone, car ils possèdent tous 6 protons.

📐 Formule - La quantité d’isotope radiogénique fils vérifie $F^* = P_0 - P$, où P₀ est la quantité initiale d’isotope père et P la quantité de père restante.

💡 Astuce mémo

Même nombre de protons pour les isotopes ; père radioactif → fils radiogénique

📖 9. Désintégration radioactive et demi-vie

★ À maîtriser

• La période radioactive, ou demi-vie, est le temps nécessaire pour que la moitié d’une quantité donnée d’éléments pères se désintègre.

📐 Formule - La désintégration radioactive suit la loi $N_t = N_0 e^{-\lambda t}$, où λ est la constante de désintégration, t le temps écoulé, N₀ le nombre initial d’éléments pères radioactifs et Nₜ leur nombre au moment de la mesure.

Compléments

• Quelle que soit la quantité initiale d’un isotope radioactif, la durée nécessaire pour en désintégrer la moitié reste la même pour cet isotope.

• La demi-vie des isotopes peut varier d’une fraction de seconde à plusieurs milliards d’années.

• La désintégration d’un élément père radioactif en élément fils est spontanée et peut émettre des rayonnements, comme le rayonnement bêta (électrons) lors de la transformation du ⁸⁷Rb en ⁸⁷Sr, qui ne s’accompagne pas d’un rayonnement gamma.

📖 10. Datation Rubidium-Strontium

★ À maîtriser

• La méthode Rubidium-Strontium sert à dater des roches métamorphiques et magmatiques, notamment des magmas riches en micas et feldspaths.

• Dans la méthode Rb/Sr, le ⁸⁷Rb radioactif se désintègre en ⁸⁷Sr stable, tandis que la quantité de ⁸⁶Sr est supposée constante au cours du temps.

• 🔄 La datation Rb/Sr suit ces étapes :

  1. Mesurer les rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr et ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr.
  2. Tracer la droite isochrone à partir des mesures des échantillons et minéraux.
  3. Calculer l’âge de cristallisation à partir de la pente de la droite.

Compléments

• Lors de la cristallisation, l’orthose et le mica noir emprisonnent du ⁸⁷Rb, tandis que les plagioclases emprisonnent du ⁸⁷Sr et du ⁸⁶Sr.

📐 Formule - La droite isochrone s’écrit $y = Ax + B$, avec $A = \lambda t$, où λ est la constante caractéristique du couple Rb/Sr et t le temps écoulé depuis la mise en place de la roche.

📐 Formule - La relation isochrone du couple Rb/Sr est $\frac{^{87}\mathrm{Sr}}{^{86}\mathrm{Sr}} = \frac{^{87}\mathrm{Sr}_0}{^{86}\mathrm{Sr}} + (e^{\lambda t}-1)\frac{^{87}\mathrm{Rb}}{^{86}\mathrm{Sr}}$.

📐 Formule - L’âge calculé par la méthode Rb/Sr vérifie $t = \frac{\ln(\text{pente}+1)}{\lambda}$.

• La période du couple ⁸⁷Rb-⁸⁷Sr est indiquée comme étant de 48,9 × 10⁹ ans dans le texte et de 48,8 × 10⁹ ans dans le tableau récapitulatif.

• La méthode Rubidium-Strontium est utilisée pour des datations supérieures à 100 Ma.

📌 Dans la comparaison de deux granites par isochrones, une pente plus forte indique un âge plus grand lorsque λ est constant ; le granite G2, dont la pente est supérieure à celle de G1, est donc plus âgé que G1.

💡 Astuce mémo

La désintégration du ⁸⁷Rb fait croître le ⁸⁷Sr et la pente isochrone indique l’âge

📖 11. Conditions et limites de datation

★ À maîtriser

• La datation radioactive exige que le système soit complètement fermé.

• Les roches à dater par radiochronologie doivent être métamorphiques ou magmatiques ; les roches sédimentaires ne sont généralement pas des systèmes fermés et ne sont pas datables par cette méthode, sauf cas particuliers comme le ¹⁴C.

• La période de l’isotope choisi doit correspondre à l’âge recherché, car le dosage devient difficile lorsque la quantité d’élément père restante est trop faible.

Compléments

• La datation radioactive est valide pour des durées allant du centième à dix fois la période de l’isotope choisi, et aucune méthode universelle ne couvre toutes les échelles de temps.

• Les périodes et domaines de mesure indiqués sont : ²³⁸U/²⁰⁶Pb, 4,47 Ga et plus de 25 Ma ; ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr, 48,8 Ga et plus de 100 Ma ; ⁴⁰K/⁴⁰Ar, 1,31 Ga et 1 à 300 Ma ; ¹⁴C/¹⁴N, 5 730 ans et 100 à 50 000 ans.

📖 12. Datation au carbone 14

🔑 Notions clés & Définitions

• Demi-vie du carbone 14 : Durée au terme de laquelle la moitié des atomes radioactifs initiaux subsiste, soit environ 5 730 ans.

★ À maîtriser

• À la mort d’un être vivant, le ¹⁴C n’est plus renouvelé et celui qui est présent se désintègre en ¹⁴N, ce qui diminue la quantité de ¹⁴C.

• Au moment de la mort, le rapport ¹⁴C/¹²C de l’être vivant est égal à celui de l’atmosphère, puis la quantité de ¹⁴C restante est mesurée pour la datation.

• Chez les êtres vivants, le carbone 14 est renouvelé par les échanges avec l’environnement ; après la mort, le stock cesse de se renouveler et le carbone 14 décroît par désintégration.

• La décroissance du carbone 14 est exponentielle : la quantité restante est divisée par deux à chaque demi-vie, sans disparaître entièrement après deux demi-vies.

• La datation au carbone 14 s’applique notamment aux matériaux suivants :

  • sédiments marins
  • coraux
  • bois
  • os
  • charbon
  • bandages de momie en fibres de lin

• La méthode du carbone 14 permet de dater des matériaux âgés d’environ 500 à 70 000 ans.

Compléments

• Le ¹⁴C est en équilibre entre sa production et sa désintégration dans l’atmosphère, puis il est incorporé au CO₂ et absorbé par les êtres vivants comme le ¹²C.

• La période du ¹⁴C est indiquée comme étant de 5 568 ± 30 ans.

• Dans l’atmosphère terrestre, environ 1 atome de carbone sur 1 trillion (1 suivi de 12 zéros) est un atome de carbone 14.

• Si la proportion de carbone 14 d’un objet est égale à la moitié de celle de l’atmosphère, l’objet est mort depuis environ 5 730 ans.

• Un échantillon de 5 mg à 2 g est nécessaire pour la datation au carbone 14, selon le matériau et son état de conservation.

💡 Astuce mémo

Vie vivante : C14 renouvelé ; après la mort : renouvellement stoppé, puis désintégration

📖 13. Couples isotopiques et domaines de datation

★ À maîtriser

• Les couples isotopiques présentés pour la datation absolue sont :
  • ²³⁸U/²⁰⁶Pb
  • ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr
  • ⁴⁰K/⁴⁰Ar
  • ¹⁴C/¹⁴N

Compléments

• Les isotopes de l’oxygène ¹⁶O, ¹⁷O et ¹⁸O sont stables ; ¹⁶O représente environ 99,8 % de l’oxygène et ¹⁸O environ un atome sur 500.

• L’utilisation la plus commune des isotopes de l’oxygène repose sur le rapport entre les quantités de ¹⁸O et de ¹⁶O dans la glace issue de carottages glaciaires ou dans les carbonates issus de forages sédimentaires.

• Les foraminifères et les coraux fixent l’isotope ¹⁸O dans leurs tests.

📖 14. Conditions de la méthode potassium-argon

★ À maîtriser

📌 La méthode potassium-argon s’applique à une roche issue de la solidification d’un magma entièrement dégazé et suppose que la roche ne contenait pas d’argon lors de sa formation.

📌 Une datation potassium-argon est possible si un minéral de la roche contient du potassium et a piégé tout l’argon formé par la désintégration du ⁴⁰K.

• La datation potassium-argon détermine l’âge d’un minéral en mesurant les concentrations de ⁴⁰K et de ⁴⁰Ar accumulées au moyen de techniques de spectrométrie de masse.

Compléments

• La période radioactive du ⁴⁰K est indiquée comme étant de 1,25 milliard d’années pour la méthode potassium-argon.

• Les minéraux les mieux adaptés à la méthode potassium-argon sont :

  • la biotite
  • la muscovite
  • les feldspaths

• La datation potassium-argon permet de dater les minéraux des roches métamorphiques et volcaniques.

📌 Dans l’exemple de datation K-Ar, l’échantillon situé en surface n’est pas fiable car les échanges avec l’atmosphère empêchent le système de rester clos.

📌 Dans l’exemple de datation K-Ar, l’échantillon situé dans l’auréole de métamorphisme n’est pas fiable car l’argon est sensible aux variations de température.

💡 Astuce mémo

Système clos et argon piégé → datation du minéral possible.

📖 15. Datation relative et lecture des coupes

🔑 Notions clés & Définitions

• Datation relative : Méthode qui ordonne dans le temps une succession d’objets ou d’événements en indiquant qu’ils sont plus récents ou plus anciens les uns que les autres.

📝 Points essentiels

• Dans des conditions favorables, notamment une grande richesse en fossiles stratigraphiques et un taux de sédimentation élevé, la datation relative peut fournir un repérage temporel très fin.

• La datation relative repose sur quatre principes, dont le nom n’est pas précisé dans ce passage.

• Dans une coupe géologique, l’interprétation chronologique peut mobiliser le dépôt des couches, leur déformation, les intrusions qui les recoupent et les épisodes d’érosion.

• Dans l’exemple de coupe présenté, les trilobites et les graptolites indiquent un âge paléozoïque pour la série argilo-gréseuse qui les contient.

• Dans l’exemple de coupe présenté, les cératites indiquent un âge mésozoïque inférieur, correspondant au Trias, et les empreintes de Diplodocus un âge mésozoïque moyen, correspondant au Jurassique.

📊 Tableaux de synthèse

Ordre relatif des structures géologiques