datation, méthodes de, en sciences de la Terre, méthodes utilisées pour dater l'âge des roches et des minéraux.

Les géologues sont ainsi capables de reconstituer la chronologie du passé de la Terre d'après les événements géologiques qui se sont succédé. Plusieurs de ces méthodes sont également utilisées pour dater des vestiges archéologiques.

Avec les méthodes alors disponibles, les géologues du XIX^e siècle n'ont pu élaborer qu'une échelle relative des temps d'autant plus que, jusqu'au milieu du siècle et avant les découvertes de Boucher de Perthes en préhistoire, la croyance en un déluge biblique ne remontant pas plus loin que quatre millénaires avant notre ère était encore très répandue. Ainsi, l'âge actuel de la Terre et la durée, en millions d'années, des unités de l'échelle des temps sont restés inconnus jusqu'à l'aube du XX^e siècle. Après la découverte de la radioactivité, les méthodes de datation radiométriques ont été rapidement mises au point. Avec ces nouvelles méthodes, les géologues ont pu calibrer l'échelle relative des temps géologiques et mettre en place une échelle absolue.

L'échelle relative était conçue d'après les principes de la stratigraphie ; par exemple, la loi de superposition décrit simplement que, dans une succession non perturbée de strates, les lits de roches supérieurs sont plus récents que les lits inférieurs.

La corrélation stratigraphique a été en partie établie par l’étude des fossiles contenus dans les couches géologiques étudiées dans des régions séparées. En mettant en évidence ce synchronisme, les géologues ont pu créer de grands groupes de strates, qui sont devenus la base de la division des temps géologiques. Ainsi, l'histoire de la Terre a été divisée en quatre grandes ères : le précambrien, le paléozoïque, le mésozoïque et le cénozoïque. Ces ères ont été à leur tour divisées en plusieurs périodes (voir géologie).

Cette méthode, qui date les événements du passé récent étudie la croissance des cernes des troncs d'arbres. Elle prend en compte le nombre, la largeur et la dureté des cernes dans les troncs des arbres les plus anciens. Des échelles permettent aux dendrochronologues de dater avec précision les événements et les conditions climatiques des dernières 3 000 à 4 000 années. La dendrochronologie permet de calibrer avec précision les datations au radiocarbone, car le bois qui constitue les cernes peut être lui-même daté par cette méthode. En Amérique, des séquoias géants ont pu ainsi être datés grâce à la dendrochronologie. En Angleterre, l'analyse des cernes des troncs d'arbres composant des passerelles de bois néolithiques conservées dans des tourbières a permis d’identifier la date, la période de l'année et le climat correspondant à la coupe des arbres.

L'une des méthodes les plus anciennes de datation, l'analyse de varves, a été mise au point par des scientifiques suédois au début du XX^e siècle. Une varve est un double lit sédimentaire (clair pour l’été, et sombre l'hiver), déposé au cours d'une année dans une étendue d'eau immobile et contenant des sédiments dont on peut faire une analyse granulométrique. Le nombre de varves et la corrélation relevée entre plusieurs régions ont été utilisés pour déterminer les âges des dépôts glaciaires du pléistocène. En connaissant le taux de sédimentation et le nombre de strates déposées après un événement géologique, les géologues peuvent déterminer l'âge de cet événement avec une précision de quelques années seulement.

Cette méthode est employée pour calculer les âges en années, d'objets fabriqués en obsidienne ou de verre volcanique récents, en déterminant l'épaisseur des couches (hydratées) produites par la vapeur d'eau qui a diffusé dans le verre lorsque sa surface a été exposée pour la première fois à l'air (fracture du verre volcanique, ou sculpture pour les objets). Cette méthode est applicable à ces types de verres vieux de 200 à 200 000 ans.

Cette méthode utilise le phénomène des radiations ionisantes naturelles. Celles-ci peuvent créer des électrons libres dans les minéraux qui sont piégés dans des défauts de leur structure cristalline (voir cristal). Ces électrons piégés s'échappent par thermoluminescence lorsqu'ils sont chauffés à une température inférieure à celle de l'incandescence. En enregistrant la thermoluminescence d'un minéral qui a été exposé à un niveau de radiation constant, le dernier drainage des électrons piégés peut être ainsi daté sur plusieurs centaines de milliers d'années. Pour dater de la poterie, par exemple, le spécimen est chauffé : il restitue alors par thermoluminescence l'énergie qu'il a stocké dans ses défauts cristallins depuis le moment où il a été cuit. La thermoluminescence peut prendre le relais du ¹⁴C pour la datation des objets archéologiques postérieurs à 100 000 ans bien qu'elle ne soit pas utilisée pour les mêmes matières. Sa fiabilité dépend des conditions de la prise de l'échantillon dans le contexte archéologique.

Les techniques radiométriques découlent de la découverte de la radioactivité en 1896, mais n'ont été réellement mises en œuvre qu'après la Seconde Guerre mondiale. On a mis en évidence que les éléments radioactifs instables avaient des taux réguliers de désintégration et pouvaient ainsi constituer des « horloges » virtuelles des roches de la Terre qui les contiennent.

Les éléments radioactifs comme l'uranium (U) et le thorium (Th) se désintègrent naturellement pour former d'autres éléments ou des isotopes.

Cette désintégration est accompagnée d'émission de particules (alpha ou bêta) et / ou de rayonnements (rayons X ou gamma). Certains isotopes se désintègrent en une seule étape en produits stables, nommés isotopes filles (par exemple, le carbone-14 que l'on écrit aujourd'hui ¹⁴C), alors que d'autres subissent de nombreuses étapes avant qu'un isotope stable soit formé. Les suites de désintégrations radioactives comprennent, par exemple, les familles de l'uranium-235, de l'uranium-238 et du thorium-232. Lorsqu'un isotope fille est stable, il s'en forme jusqu'à ce que l'isotope parent se soit totalement désintégré. Cependant, si un isotope fille est radioactif, l'équilibre est atteint lorsque la vitesse de formation de l'isotope fille est égale à la vitesse de désintégration de l'isotope parent.

La désintégration radioactive peut prendre différentes formes : désintégration alpha, bêta, par capture d'électron. Ces différents modes de désintégration s'accompagnent parfois de l'émission d'ondes électromagnétiques (X ou gamma) de grande énergie (voir radioactivité).

Les scientifiques caractérisent la radioactivité d'un élément par son temps de demi-vie, ou période radioactive. C'est le temps au terme duquel la moitié des nucléides de l'élément se sont désintégrés. Par exemple, la période radioactive du carbone-14 est de 5 730 années ; celle de l'uranium-238 est de 4,5 milliards d'années.

Les techniques de datation radiométrique se fondent sur la désintégration d'isotopes avec des taux constants. Lorsqu'un élément radioactif s'est incorporé dans un minéral en formation, l'élément commence à se désintégrer à un taux constant, avec un pourcentage défini de « produits filles » pour chaque intervalle de temps. Ces « horloges rocheuses » sont les montres des géologues.

Les techniques de radiochronologie au carbone, mises au point pour la première fois par le chimiste américain Willard Libby et ses associés de l'université de Chicago en 1947, ont été fréquemment utilisées en archéologie, en anthropologie, en océanographie, en pédologie, en climatologie et en géologie.

À travers l'activité métabolique, le taux de carbone-14 dans un organisme vivant est constamment en équilibre avec le taux de carbone-14 dans l'atmosphère et / ou dans l'océan. À la mort d'un organisme, le carbone-14 commence à se désintégrer à une vitesse connue, et il n'est plus remplacé par le carbone atmosphérique. La désintégration rapide de carbone-14 limite généralement la période de datation approximativement à 30 000 ans. L'incertitude sur la mesure augmente avec l'âge de l'échantillon.

La précision de la datation dépend de la mesure de la période radioactive, des variations des taux de carbone-14 atmosphérique et de la pollution. On a montré que la quantité de carbone-14 produite en haute atmosphère subit des variations au cours du temps, liées aux variations du champ magnétique terrestre. L'échelle de temps du radiocarbone présente d'autres inconvénients : des erreurs, de 2 000 à 5 000 ans, peuvent se produire. Enfin, une pollution de l'échantillon, qui est le problème le plus grave, peut être causée par des infiltrations d'eaux souterraines par l'incorporation de carbone plus ancien ou plus récent. Ainsi, les datations au carbone sont difficiles à établir avec précision. En archéologie, les datations au carbone-14 sont données par rapport à 1950 et notées BP (before present), avec une marge de plus ou moins un certain nombre d'années, ce qui donne une large marge d'incertitude. La corrélation avec la dendrochronologie pour les dates pouvant êtres couvertes par cette dernière (moins de 10 000 ans BP) donne des datations beaucoup plus fiables, ce qui n'est pas le cas au-delà. Depuis les années quatre-vingt, les datations au radiocarbone ont gagné en fiabilité avec l'utilisation de l'accélérateur de particules lié au spectrographe de masse, et ne nécessitent plus pour effectuer des analyses que des échantillons de quelques grammes au lieu de plusieurs dizaines. On peut ainsi dater une particule de charbon de bois, composant par exemple un trait d'une fresque préhistorique, plutôt que la totalité du bâton ayant servi à le tracer.

La désintégration radioactive d'isotopes de potassium en argon est très utilisée pour dater les roches. Les géologues sont capables de dater de nombreux types de roches de cette façon, car le potassium-40 est abondant dans les micas, les feldspaths et les hornblendes. L'évaporation de l'argon peut poser un problème si la roche a été exposée à des températures supérieures à 125 °C. En effet, l'âge mesuré reflète le dernier épisode d'exposition à la chaleur plutôt que l'âge originel de formation de la roche. La datation par le potassium-argon couvre des périodes allant de 100 000 à plusieurs millions d'années. La collecte d'échantillons demande une étude précise du contexte géologique. En archéologie, elle ne permet pas de dater directement les objets, mais les couches dans lesquelles ils ont été trouvés.

Utilisée pour dater les roches magmatiques et les roches métamorphiques ainsi que les échantillons lunaires, cette méthode est fondée sur la désintégration bêta du rubidium 87 en strontium 87.

La méthode des proportions de thorium permet de dater les sédiments océaniques plus anciens que ceux accessibles par les méthodes de datation au carbone-14, et plus récents que ceux relevant d'une datation par thermoluminescence. L'uranium présent dans l'eau de mer donne lieu à une suite de désintégrations qui aboutit au thorium-230 (également nommé ionium), dérivé de l'uranium-238, qui a une demi-vie de 80 000 ans, et au protactinium 231, dérivé de l'uranium-235, qui a une demi-vie de 34 300 ans. Tous deux radioactifs, ils sont précipités dans les sédiments marins dans les mêmes proportions mais à des taux différents. Leur proportion respective change régulièrement avec le temps, montrant des différences d'autant plus importantes que les sédiments sont anciens. Une échelle de temps peut être mise au point de cette manière.

Dans la méthode utilisant le déficit en thorium-230, l'âge des coquillages ou des coraux fossilisés datant de 10 000 à 250 000 ans est fondé sur le fait que l'uranium-238 et l'uranium-224, entrés dans la composition du carbonate lors de sa formation ou de son enfouissement, ne sont pas encore à l'équilibre avec le thorium. Des relations de déséquilibre identiques peuvent être utilisées pour dater les carbonates dans les sols. Cette méthode est un complément à celle du carbone-14.

La datation plomb-alpha, ou de Larsen, est estimée par spectrographie en déterminant le contenu total de plomb et l'activité alpha (teneur en uranium-thorium) de la zircone, de la monazite ou de la xénolite. Elle est appliquée aux roches formées après le précambrien. Dans la méthode uranium-plomb, l'âge d'un matériau géologique est calculé d'après les taux de désintégration radioactive connus de l'uranium-238 en plomb-206 et de l'uranium-235 en plomb-207. Couplés aux taux de désintégration du thorium-232 en plomb-208, trois âges indépendants peuvent être obtenus pour le même échantillon. Cette méthode s'applique principalement aux matériaux d'âge précambrien.

La méthode de datation par traces de fission concerne les dommages radioactifs causés par des particules nucléaires dans un minéral (ou verre) par la fission spontanée des impuretés d'uranium-238. La datation est calculée en comparant la densité de traces de fission spontanée avec des traces de fission induite volontairement. Cette méthode s'applique bien aux micas, aux tectites et aux météorites. Elle a été employée pour permettre de dater des périodes allant de 40 000 années à 1 million d'années, intervalle qui n'est pas couvert par le carbone-14 ou les méthodes potassium-argon. Cependant, les roches soumises à des températures élevées ou exposées au bombardement des rayons cosmiques à la surface de la Terre peuvent donner des âges erronés.