L’étude de l’histoire géologique et biologique de la Terre nécessite de pouvoir dater les divers évènements, roches ou fossiles dans le temps.
Pour cela, deux grandes approches sont utilisées :

  • La chronologie relative qui permet de situer des évènements les uns par rapport aux autres
  • La chronologie absolue qui permet de donner un âge précis aux évènements.

 

I- La chronologie relative : Positionner les évènements les uns par rapport aux autres

TP1 + Correction

La chronologie relative permet de d’établir une succession d’évènement les uns par rapport aux autres, sans leur donner une date précise. Elle s’appuie sur l’étude des relations géométriques entre les formations géologiques et sur l’étude des fossiles inclus dans les roches sédimentaires. 5 grands principes sont utilisés pour cela.

A- Utilisation des relations géométriques pour ordonner des évènements

  • Principe de superposition.

Lorsque des formations se mettent en place par dépôt de couches successives (coulées de laves, dépôts de roches sédimentaires …), une couche de roche est plus récente que celle qu’elle recouvre et plus ancienne que la couche qui est au-dessus d’elle.

Exemple du bassin parisien

Attention : ce principe n’est valable que si les roches se déposent en couches successives (roches sédimentaires et coulées de laves) et dans des milieux peu plissés (donc peu modifiés après dépôt des roches)

  • Principe de recoupement :

Toute structure ou évènement qui en recoupe un autre est considéré comme plus récent. Par exemple si une couche de roche est affectée par un pli, le pli s’est forcément produit après le dépôt de la couche de roche.

Ce principe s’applique également à l’échelle des minéraux : par exemple un minéral qui en recoupe un autre (en filon par exemple) à forcément cristallisé en dernier.

Schéma explicatif : exemple de la faille du Pas Guiguet

  • Principe d’inclusion :

Toute structure incluse dans une autre est considérée comme plus ancienne.

Exemple : Inclusion d’olivine dans un basalte.

  • Principe de continuité :

 Pour comparer deux strates qui ne sont pas en continuité, on observe les strates qui les encadrent. La strate inférieure étant le mur et la strate supérieure le toit.
Lorsque deux strates éloignées l’une de l’autre sont limitées par un même mur et un même toit, on en déduit qu’elles correspondent à une seule et unique couche, dont l’âge est identique en chaque point même si la nature de la roche varie (à une époque donnée les conditions de sédimentation peuvent différer d’un endroit à un autre). Ce principe énonce donc qu’une même couche est de même âge en tous points.

Exemple de la carrière d’Arcy

B- Utilisation des fossiles stratigraphiques
L’utilisation des relations géométriques permet de dater des structures proches géographiquement. Pour effectuer une datation relative de structures géographiquement très éloignées, on utilise l’étude des fossiles stratigraphiques contenus dans les roches sédimentaires.

Des fossiles stratigraphiques sont des restes d’espèces disparues qui présentent certaines caractéristiques :

  • Grande extension géographique: l’espèce a vécu dans de nombreuses régions et les fossiles sont donc retrouvés dans des formations géologiques géographiquement éloignées. Cela permet de corréler les observations sur toute la planète.
  • Courte durée d’existence (à l’échelle géologique) : l’espèce n’a vécu qu’un temps court (1 million d’années voir moins), ce qui permet d’obtenir un intervalle de datation court
  • Grande abondance: l’espèce a été très présente, ce qui permet d’avoir de nombreux fossiles conservés.

 

Le principe d’identité paléontologique indique que des couches de roches contenant les mêmes fossiles stratigraphiques ont le même âge.

L’apparition et la disparition de groupes fossiles ainsi que les associations de fossiles dans les roches permettent également d’établir des grandes périodes successives de l’histoire de la Terre. (voir -III)

II- La chronologie absolue

TP2 : Datation absolue par radiochronologie + Fiche méthode + Correction

La chronologie absolue permet de donner un âge aux minéraux et aux roches. Pour cela, on utilise des techniques basées sur l’étude de la quantité d’éléments radioactifs qui se sont désintégrés depuis la formation de la roche.

A- Principe global de la méthode
Les minéraux des roches contiennent des éléments chimiques possédant des isotopes radioactifs pères qui se désintègrent en éléments radiogéniques fils au cours du temps, de manière régulière. Ces deux éléments présentant une masse différente, sont identifiables et dosables à l’aide d’un spectromètre de masse.

On évalue la vitesse de désintégration d’un élément père en élément fils par la période de demi-vie (T) de l’élément père, c’est-à-dire la durée nécessaire pour que 50% de l’élément père se désintègre. Cette période est connue pour chaque couple père-fils car mesurable en laboratoire.

A partir de cette période de demi-vie, on pose une constante de désintégration λ = (ln2) / T  qui permet de poser une loi, valable pour tous les couples père-fils : la loi de décroissance radioactive

Pt = P0e-λt

Cette loi permet de calculer t  (= le temps écoulé depuis la fermeture du système ) en connaissant Pt (qui est mesurable par spectromètre de masse), en connaissant λ (qui est déduite de T, mesurable en laboratoire) et P0 que l’on déduit de Ft , lui-même mesurable par spectromètre de masse.

 

 

 

On calcule alors le temps passé depuis la fermeture du système (c’est-à-dire depuis qu’il n’y a plus d’entrée ou de sortie d’éléments chimiques dans le système.)
Cette fermeture du système correspond pour :

  • Les roches magmatiques : au moment où la roche est entièrement cristallisée (fermeture plus rapide pour les roches volcaniques que plutoniques)
  • Les restes d’êtres vivants fossiles : au moment de la mort de l’organisme

 

Quelques limites à la méthode de radiochronologie :

  • Les roches sédimentaires sont plus difficiles à dater par radiochronologie car elles ne constituent que rarement des systèmes fermés.
  • La température de cristallisation (donc de fermeture du système) n’étant pas la même pour tous les minéraux d’une roche, il est possible d’obtenir des âges un peu différents d’un minéral d’une roche à l’autre.
  • Dans l’histoire d’une roche, il peut arriver que les minéraux refondent et recristallisent : le système est alors de nouveau ouvert puis refermé, et les quantités d’isotopes radioactifs se modifient. Dans ce cas, la datation absolue donnera l’âge de refermeture du système.

 

B- Choix du radio-chronomètre
Pour effectuer une datation absolue, il existe plusieurs couples père-fils, qui diffèrent par la période de demi-vie de l’élément père.

Pour dater une roche, le choix du radio-chronomètre dépends donc de différents paramètres :

  • Les éléments chimiques choisis doivent être présents dans les minéraux constituant la roche,
  • La période de demi-vie de l’élément père doit être cohérente avec l’âge présumé de la roche à dater (déterminé par chronologie relative) : il faut que l’âge présumé de la roche ne corresponde pas à un nombre excessif de période de demi-vie de l’élément père ( entre 0,01 fois et 10 fois la période de demi-vie) car la teneur d’élément père devient alors trop faible pour être dosable.

  • La datation par le carbone 14.

D’une période de 5370 ans, la datation par le carbone 14 est une méthode adaptée aux phénomènes récents n’excédant pas des durées de 50 000 ans.
Le 14C est utilisé pour dater des restes d’êtres vivants. On considère que tant qu’un individu est vivant, il échange du carbone avec le milieu (alimentation respiration photosynthèse) mais à sa mort les échanges cessent : c’est la fermeture du système.

  • La datation par le couple 40K/40

Avec une période de 1.3 Ga, la datation K/Ar permet de dater des roches magmatiques et métamorphiques riches en K et datant de 105à 109 ans.
L’argon étant un gaz qui s’échappe des magmas avant cristallisation et donc avant la fermeture du système, les quantités initiales sont donc nulles. (Cependant l’argon étant présent dans la nature, les risques de contamination entraînant des erreurs ne sont pas négligeables)

  • La datation par le couple 87Rb/87Sr

La période de désintégration du 87Rb est de 50 Ga. Ce couple permet de dater des roches magmatiques et métamorphiques datant de 107 à 109 ans.

Comme les quantités initiales d’élément père ou fils ne peuvent pas être déterminées, on étudie différents échantillons d’une même roche et mesurer les rapports isotopiques 87Rb/86Sr et 87Sr/86Sr.

On peut alors déterminer graphiquement l’âge commun de cristallisation de ces minéraux en calculant la pente de la droite (pente = lt, l étant la constante de décroissance radioactive)

III- La construction de l’échelle chronostratigraphique

Pour réaliser une chronologie de l’histoire terrestre, et ainsi obtenir l’échelle chronostratigraphique, les méthodes de datation relative et de datation absolue ont été couplées.

L’apparition et la disparition de groupes fossiles dans des strates de roches ont permis de découper l’histoire terrestre en ères, divisées elles-mêmes en périodes, divisées elles même en étages.

  • Les limites d’ères ont été établies par des extinctions massives et rapides dans tous les écosystèmes.
  • Les limites de périodes et de séries ont été établies par des apparitions ou disparitions de groupes entiers.
  • Les limites d’étages ont été établies à partir de variations d’associations de plusieurs espèces. On appelle stratotype la strate de roches qui sert de référence pour chaque étage (c’est-à-dire celle qui contient l’association de tous les fossiles indicatifs d’un étage)

La chronologie absolue, appliquée à certaines roches des stratotypes à ensuite permis de dater (plus ou moins précisément) les limites de chaque étage.

 

Et merci comme toujours à Bio-logique