L’étude des fossiles (des restes ou des traces d’êtres vivants du passé conservés dans des roches et des sédiments) est essentielle pour comprendre l’évolution de la vie sur Terre. Pour déterminer leur âge, les scientifiques utilisent plusieurs méthodes de datation. Voici les principales.
La datation relative
Cette méthode utilise la position relative des fossiles dans les couches de sédiments pour déterminer leur âge approximatif. Elle est basée sur le principe de la superposition : lorsque les sédiments se déposent, les couches les plus anciennes se retrouvent en bas et les plus récentes en haut. Les fossiles contenus dans ces couches sont donc également datés en fonction de leur position relative dans les couches de sédiments. Selon cette logique, un fossile trouvé dans une couche plus profonde que celle d’un autre fossile est probablement plus ancien que ce dernier.
Cependant, comme son nom l’indique, la datation relative ne permet pas de donner une date précise pour un fossile, mais seulement de situer son âge dans une période de temps relative à d’autres fossiles. Elle reste néanmoins utile pour établir des séquences chronologiques. Pour obtenir une datation plus précise, il est nécessaire d’utiliser des méthodes de datation absolue comme les datations radiométriques.
Elles permettent de déterminer l’âge d’un fossile en déterminant la quantité d’isotopes radioactifs présents dans celui-ci. Ces isotopes sont dits radioactifs, car ils sont instables et peuvent donc se décomposer en émettant un rayonnement pour finalement se transformer en isotopes stables. Nous savons que les isotopes radioactifs se désintègrent à un taux constant et prévisible au fil du temps. Les chercheurs peuvent ainsi calculer leur demi-vie, soit le temps nécessaire pour que la moitié des atomes se désintègre naturellement. En considérant la quantité d’isotopes radioactifs restants dans un échantillon de fossile et en connaissant la demi-vie de l’isotope, les scientifiques peuvent estimer l’âge exact du fossile.
Le carbone 14
Il existe plusieurs méthodes radiométriques. La plus connue est la datation au carbone 14. Elle est utilisée pour dater les échantillons organiques tels que les fossiles de plantes ou d’animaux. Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone qui se forme naturellement dans l’atmosphère terrestre. Les plantes et animaux en absorbent pendant leur vie, en respirant et en mangeant. Après leur mort, la quantité de carbone 14 dans leur corps commence à diminuer en se désintégrant lentement en azote 14 stable. La demi-vie du carbone 14 est d’environ 5 700 ans, ce qui signifie qu’après ce temps, la moitié du carbone 14 initial a été convertie en azote 14.
En considérant la quantité de carbone 14 restante dans un échantillon de fossile et en connaissant la demi-vie de l’isotope, les scientifiques peuvent ainsi estimer l’âge approximatif de l’échantillon. Cette méthode est utilisée pour dater des échantillons jusqu’à environ 50 000 ans, ce qui la rend particulièrement utile pour les fossiles de la période quaternaire, y compris les fossiles d’humains préhistoriques.
Le potassium-argon
La datation par le potassium-argon (K-Ar) est une autre méthode de datation radiométrique utilisée cette fois pour dater les roches et les minéraux. Elle se base sur la désintégration radioactive du potassium-40 en argon-40, un processus qui a lieu à un taux constant et prévisible au fil du temps. La demi-vie du potassium-40 est d’environ 1,3 milliard d’années, ce qui signifie qu’il faut environ 1,3 milliard d’années pour que la moitié du potassium-40 initial se désintègre en argon-40.
En utilisant des techniques de laboratoire sophistiquées, les scientifiques peuvent mesurer la quantité de potassium-40 et d’argon-40 dans un échantillon de roche ou de minéral et calculer l’âge de l’échantillon en utilisant la demi-vie du potassium -40. Cette méthode peut permettre de dater des échantillons de roches et de minéraux qui ont des âges compris entre quelques milliers d’années et des milliards d’années. Elle est notamment particulièrement utile pour estimer l’âge les roches volcaniques, car le potassium-40 est abondant dans les cendres volcaniques et la lave. Elle est aussi utilisée sur les fossiles d’hominidés et d’autres fossiles trouvés dans des formations rocheuses.
La datation par l’uranium-thorium
La datation par l’uranium-thorium est une troisième méthode basée sur la désintégration radioactive de l’uranium-238 en thorium-234 et de l’uranium-235 en thorium-231. Elle permet de dater les échantillons minéraux tels que les coraux, les stalactites et les stalagmites.
Les coraux et les formations calcaires se forment en effet en absorbant de l’eau de mer qui contient de petites quantités d’uranium. Au fil du temps, l’uranium se désintègre en thorium qui est ensuite piégé dans la structure cristalline du corail ou de la formation calcaire. En déterminant les quantités d’uranium et de thorium contenues dans un échantillon, les scientifiques peuvent ainsi calculer l’âge de l’échantillon.
La datation par l’uranium-thorium est particulièrement utile pour dater des échantillons ayant une durée de vie de plusieurs centaines de milliers d’années. Cette méthode est également utilisée pour dater les formations calcaires dans les grottes. Or, cela peut fournir des informations sur les changements dans les niveaux d’eau souterraine, la température et la composition chimique de l’eau au fil du temps. De manière générale, cette technique permet aux scientifiques de comprendre l’histoire géologique et environnementale de la Terre.
La thermoluminescence
La datation thermoluminescente est utilisée pour déterminer l’âge de certains matériaux tels que les céramiques, les pierres, les briques et les tuiles qui ont été chauffées à haute température pendant leur fabrication ou leur utilisation. Cette méthode est basée sur le fait que les cristaux dans ces matériaux accumulent de l’énergie lorsqu’ils sont exposés à des rayonnements ionisants, tels que les rayons cosmiques et les rayons gamma, présents dans l’environnement.
Lorsque les matériaux sont chauffés, l’énergie est libérée sous forme de lumière dans un processus appelé « thermoluminescence », d’où le nom de la technique. En fonction de la quantité de lumière émise par un échantillon lorsqu’il est chauffé à une température spécifique, les scientifiques peuvent déterminer la quantité d’énergie obtenue par les cristaux dans l’échantillon depuis sa dernière exposition à la chaleur.
La datation thermoluminescente permet donc d’évaluer l’âge d’un matériau en déterminant le temps écoulé depuis sa dernière exposition à la chaleur. Cette méthode peut servir pour dater des matériaux chauffés à des températures allant jusqu’à environ 500 °C. Elle peut par ailleurs fournir des âges allant jusqu’à environ 500 000 ans.
La datation par résonance de spin électronique
On termine avec une autre méthode : la datation par résonance de spin électronique. Elle utilise la mesure des niveaux d’énergie des électrons piégés dans les matériaux pour déterminer leur âge. Cette méthode permet de dater les dents, les os, les coquilles d’oeufs, les grains de quartz ou encore les minéraux tels que la calcite.
Lorsque les rayons cosmiques frappent la Terre, ils créent en effet des électrons piégés dans les minéraux et les matériaux organiques. On retrouve alors ces électrons dans les imperfections du cristal comme les défauts de couleur ou les cavités des matériaux organiques. Ils ont alors une énergie spécifique qui peut être mesurée en utilisant la résonance de spin électronique.
La datation par résonance de spin électronique peut être utilisée pour dater des échantillons qui ont un âge compris entre environ 50 000 ans et 2,5 millions d’années. Cette méthode est particulièrement utile pour estimer l’âge des dents et des os fossiles d’animaux préhistoriques ainsi que des coquilles d’œufs fossiles. Elle peut également servir à étudier les processus environnementaux et géologiques.
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