Introduction à la radiochronologie/Définitions et principes

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Radiochronologie

Définition

La radiochronologie, également appelée datation radiométrique, est une méthode de la géochronologie permettant d'associer un âge absolu à un événement géologique par le biais de l'étude d'isotopes radioactifs enfermés dans l'échantillon étudié. Diverses méthodes de datation, utilisant différents couples de radioéléments (¹⁴C/¹⁴N, ²³⁸U/²⁰⁶Pb, ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr…), peuvent être appliquées dans des champs divers et permettent de dater de nombreux événements géologiques (cristallisation d'un magma, métamorphisme…).

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  Atome d'uranium 235
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  Atome de plomb
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  Atome de potassium
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  Atome d'argon

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Historique

Le développement de la radiochronologie est intimement lié à la recherche de l'âge de la Terre. Avec la découverte de la radioactivité au début du XX^e siècle, Rutherford réalise en 1905 une première tentative de mesure d'âge en mesurant les quantités d'hélium et d'uranium dans un minéral.

Le grand tournant se produit pendant les années 1940 où Holmes, Houtermans et Nier travaillent sur des minerais de plomb et en déduisent que l'isotopie du plomb a été conservée par l'élément depuis la cristallisation de la croûte et que lors de sa solidification, des différences locales sont apparues entre les rapports U/Pb et ont évolué au gré de la désintégration de l'uranium. Ces principes permettent de donner un sens aux dates obtenues par l'étude des éléments radiogéniques.

Après 1946, de nouveaux couples d'éléments sont découverts pour dater les roches (Rb/Sr, K/Ar, Sm/Ne…). Les années 1950 voient la découverte des isotopes cosmogéniques, comme le carbone 14 ou le béryllium 10, et la mise au point de méthodes de datation par leur utilisation. Par ailleurs, les améliorations technologiques ont permis d'effectuer des mesures de plus en plus précises de la quantité des éléments, et d'affiner ainsi les âges obtenus.

Principes

La radiochronologie s'appuie sur le phénomène de la radioactivité (voir section ci-dessous et chapitre 2). L'utilisation des différents couples radiogéniques dépend du temps de désintégration total de l'élément père, ainsi que de la nature de l'échantillon utilisé (voir chapitre 5). Une étude radiochronologique d'une roche se base généralement sur l'analyse d'un minéral ou d'un groupe de minéraux spécifiques contenant les radioéléments recherchés. Pour être fiable, le milieu ne doit pas être contaminé, ce qui signifie qu’il doit rester fermé depuis la date de l'événement recherché jusqu'au moment de l'étude (voir chapitre 4).

Pour pouvoir dater une roche, les chercheurs doivent déterminer la quantité d'éléments père et d'éléments fils présents dans le minéral, puis calculer la quantité initiale d'éléments pères au moment de la fermeture du système pour enfin déduire l'âge de la roche étudiée. La méthode analytique permettant de déterminer la quantité des éléments radiogéniques nécessite l’utilisation d'un appareil nommé le spectromètre de masse (voir cours sur la spectrométrie de masse).

Processus simplifié d'une étude par spectrométrie de masse

Radioactivité

Définitions

Pour aller plus loin, voir : Principes de la physique nucléaire/Radioactivité.

Définition de la radioactivité

La radioactivité correspond à l'émission d'un rayonnement par un isotope modifiant sa structure interne par désintégration afin de retrouver un état d'équilibre.

Définition d'un isotope

Un isotope est un noyau dont le nombre atomique est constant, tandis que que le nombre de masse varie. La plupart de ces isotopes sont des noyaux instables cherchant à retrouver leur état d'équilibre par le processus de la désintégration radioactive.

Structure d'un noyau atomique

Le noyau d'un atome est constitué de nucléons, subdivisés entre des nucléons électroniquement neutres (neutrons) et les nucléons électroniquement positifs (protons). Un noyau X est caractérisé par son nombre de masse A, correspondant au nombre de nucléons, et par son numéro atomique Z, correspondant au nombre de protons : ${}_{Z}^{A}X$.

Stabilité d'un noyau

Table des isotopes par type de désintégration majoritaire avec la « vallée de stabilité » en noir

L'idéal d'un noyau atomique est d’être à un équilibre parfait, afin d’être dans un état stable ; dans le cas où il se trouve dans un équilibre imparfait, il est alors dans un état instable et va chercher à retrouver un état stable. Le processus permettant à un noyau de retourner à un état de stabilité est la désintégration radioactive.

Un noyau se trouve dans un état instable si son nombre de neutrons est trop faible ou trop important. Les nucléides présentant une association de protons et de neutrons permettant au noyau d’être stable forment une ligne sur un graphique que l’on appelle « vallée de stabilité » ; les isotopes instables sont situés de part et d’autre de cette vallée de stabilité. Le mode de désintégration radioactive dépend de la taille du noyau ; les noyaux présentant un numéro atomique supérieur à 92 (l'uranium) ne présentent aucun isotope stable.