Datation relative et datation absolue

Comment sait-on que les dinosaures ont disparu il y a 66 millions d’années, ou que la Terre a environ 4,5 milliards d’années ? Les géologues utilisent deux approches complémentaires. La datation relative, connue depuis le XVIIe siècle, permet de reconstituer l'ordre des événements. La datation absolue, possible depuis le début du XXe siècle grâce à la découverte de la radioactivité, donne des âges en années. Les deux sont au programme du lycée en France, et la datation relative est souvent abordée dès le collège.

Comparaison des deux approches

La datation relative : quatre principes

1. Principe de superposition

Dans une série de couches sédimentaires (strates) non déformées, une couche est plus récente que celle qu’elle recouvre. Il a été énoncé par Nicolas Sténon en 1669. Les sédiments se déposent en effet les uns sur les autres (voir roches sédimentaires).

2. Principe de continuité

Une même couche a le même âge sur toute son étendue, même si elle est interrompue par une vallée ou une faille.

3. Principe de recoupement

Un événement qui recoupe une couche (une faille, un filon de magma, une surface d’érosion) est plus récent que cette couche.

4. Principe d’inclusion

Un fragment de roche inclus dans une autre roche est plus ancien que la roche qui le contient (un galet est plus ancien que le conglomérat qui l’entoure).

Les fossiles stratigraphiques

Le principe d’identité paléontologique permet de comparer des couches éloignées : deux couches qui contiennent les mêmes fossiles stratigraphiques ont le même âge. Un bon fossile stratigraphique appartient à une espèce qui a vécu peu de temps à l’échelle géologique, était répandue sur une vaste zone et est facile à reconnaître : ammonites, trilobites, foraminifères. C’est ainsi qu’a été construite l'échelle des temps géologiques (voir aussi fossiles).

Schéma décrit : une coupe géologique à interpréter

On dessine une falaise en coupe comportant, de bas en haut, quatre couches horizontales : A (calcaire), B (argile), C (grès), D (calcaire). Une faille oblique décale les couches A, B et C, mais pas D. Un filon de basalte vertical traverse A et B, et s’arrête sous C.

Raisonnement :

• superposition : A est la plus ancienne, puis B, C, D ;
• le filon recoupe A et B mais pas C : il est plus récent que B et plus ancien que C ;
• la faille décale A, B et C mais pas D : elle est plus récente que C et plus ancienne que D.

Chronologie : A, B, filon, C, faille, D.

La datation absolue : la radiochronologie

Certains éléments chimiques existent sous forme d'isotopes radioactifs (voir isotopes), qui se transforment spontanément en un autre élément, à un rythme constant et connu. Ce rythme se mesure par la demi-vie (ou période) : la durée au bout de laquelle la moitié des atomes radioactifs s’est désintégrée.

Au moment de la formation d’un minéral (cristallisation d’un magma, par exemple), l’horloge démarre : l’élément radioactif (élément « père ») se transforme progressivement en élément « fils ». En mesurant leurs proportions actuelles, on calcule l’âge.

La décroissance radioactive

Après une demi-vie, il reste 1/2 des atomes radioactifs ; après deux, 1/4 ; après trois, 1/8 ; après quatre, 1/16. La courbe de la quantité restante en fonction du temps est une courbe exponentielle décroissante (voir fonction exponentielle).

Le carbone 14 est particulier : il est produit en permanence dans l’atmosphère et tous les êtres vivants en contiennent une proportion à peu près constante tant qu’ils vivent. À leur mort, ils cessent d’en absorber et la quantité diminue. Il ne sert donc pas à dater des dinosaures, dont les restes sont bien trop anciens, mais à l’archéologie et à la préhistoire récente.

Erreurs fréquentes

• Utiliser le carbone 14 pour dater un fossile de dinosaure : au-delà de 50 000 ans environ, il n’en reste presque plus.
• Appliquer la superposition à des couches plissées ou renversées sans vérifier : le principe ne vaut que pour des couches en position normale.
• Croire qu’un fossile stratigraphique doit être ancien : il doit surtout avoir vécu peu de temps et partout.
• Dire que la datation absolue est « exacte » : elle donne un âge avec une marge d’incertitude.

Exercice corrigé

Énoncé. Un morceau de charbon de bois trouvé dans une grotte ne contient plus que le quart du carbone 14 présent dans un bois actuel. Quel est son âge approximatif ?

Corrigé.

• Après une demi-vie, il reste 1/2 du carbone 14 ; après deux demi-vies, 1/2 × 1/2 = 1/4.
• Il s’est donc écoulé deux demi-vies : 2 × 5 730 = 11 460 ans.
• Le feu qui a produit ce charbon date d’environ 11 500 ans.

Questions fréquentes

Comment sait-on que la Terre a 4,5 milliards d’années ?

Par la datation uranium-plomb des météorites, formées en même temps que la Terre, et des plus vieux minéraux terrestres, des zircons d’environ 4,4 milliards d’années (voir âge de la Terre).

Peut-on dater directement une roche sédimentaire ?

Rarement de façon absolue, car ses grains proviennent de roches plus anciennes. On la date souvent indirectement, grâce à ses fossiles ou à des couches de cendres volcaniques intercalées, elles datables.

Qui a découvert la radiochronologie ?

L’idée d’utiliser la radioactivité pour dater les roches revient notamment à Ernest Rutherford au début du XXe siècle ; le carbone 14 a été mis au point par Willard Libby vers 1949, ce qui lui a valu le prix Nobel de chimie en 1960.