Le travail de géologues est de raconter l'histoire vraie de l'histoire de la Terre - plus précisément, une histoire de l'histoire de la Terre qui est de plus en plus vraie. Il y a cent ans, nous n'avions aucune idée de la longueur de l'histoire - nous n'avions pas de bon critère pour mesurer le temps. Aujourd'hui, à l'aide de méthodes de datation isotopique, nous pouvons déterminer l'âge des roches presque aussi bien que nous cartographions les roches elles-mêmes. Pour cela, nous pouvons remercier la radioactivité, découverte au tournant du siècle dernier.
Le besoin d'une horloge géologique
Il y a cent ans, nos idées sur l'âge des roches et l'âge de la Terre étaient vagues. Mais évidemment, les roches sont des choses très anciennes. A en juger par le nombre de roches présentes, plus les taux imperceptibles des processus qui les forment - érosion, enfouissement, fossilisation, soulèvement — les données géologiques doivent représenter des millions d'années incalculables. C'est cette idée, exprimée pour la première fois en 1785, qui a fait de James Hutton le père de la géologie.
Nous savions donc "temps profond", mais l'explorer était frustrant. Pendant plus de cent ans, la meilleure méthode pour organiser son histoire a été l'utilisation de fossiles ou la biostratigraphie. Cela ne fonctionnait que pour les roches sédimentaires et seulement certaines d'entre elles. Les roches de l'âge précambrien ne possédaient que les plus rares traces de fossiles. Personne ne savait même à quel point l'histoire de la Terre était inconnue! Nous avions besoin d'un outil plus précis, une sorte d'horloge, pour commencer à le mesurer.
L'essor des rencontres isotopiques
En 1896, la découverte accidentelle de la radioactivité par Henri Becquerel montre ce qui pourrait être possible. Nous avons appris que certains éléments subissent une décroissance radioactive, se transformant spontanément en un autre type d'atome tout en dégageant une explosion d'énergie et de particules. Ce processus se déroule à un rythme uniforme, aussi stable qu'une horloge, non affecté par les températures ordinaires ou la chimie ordinaire.
Le principe de l'utilisation de la désintégration radioactive comme méthode de datation est simple. Considérez cette analogie: une grille de barbecue pleine de charbon de bois brûlant. Le charbon de bois brûle à un taux connu, et si vous mesurez combien de charbon de bois reste et combien de cendres se sont formées, vous pouvez savoir depuis combien de temps le gril était allumé.
L'équivalent géologique de l'éclairage du gril est le moment où un grain minéral s'est solidifié, que ce soit il y a longtemps dans un granit ancien ou tout simplement aujourd'hui dans une coulée de lave fraîche. Le grain minéral solide emprisonne le atomes radioactifs et leurs produits de désintégration, contribuant ainsi à garantir des résultats précis.
Peu de temps après la découverte de la radioactivité, les expérimentateurs ont publié des dates d'essai de roches. Réalisant que la désintégration de l'uranium produit de l'hélium, Ernest Rutherford en 1905 a déterminé l'âge d'un morceau de minerai d'uranium en mesurant la quantité d'hélium emprisonnée. Bertram Boltwood en 1907 a utilisé le plomb, le produit final de la désintégration de l'uranium, comme méthode pour évaluer l'âge de l'uraninite minérale dans certaines roches anciennes.
Les résultats ont été spectaculaires mais prématurés. Les roches semblaient étonnamment vieilles, allant de 400 millions à plus de 2 ans milliard ans. Mais à l'époque, personne ne connaissait les isotopes. Une fois que les isotopes ont été expliqués, au cours des années 1910, il est devenu clair que les méthodes de datation radiométrique n'étaient pas prêtes pour les heures de grande écoute.
Avec la découverte des isotopes, le problème de datation est revenu à la case départ. Par exemple, la cascade de désintégration de l'uranium au plomb est en réalité deux: la désintégration de l'uranium 235 au plomb 207 et la désintégration de l'uranium 238 au plomb 206, mais le deuxième processus est presque sept fois plus lent. (Qui fait datation au plomb et à l'uranium particulièrement utile.) Quelque 200 autres isotopes ont été découverts au cours des prochaines décennies; ceux qui sont radioactifs ont ensuite vu leur taux de désintégration déterminé dans des expériences de laboratoire minutieuses.
Dans les années 40, ces connaissances fondamentales et les progrès des instruments ont permis de commencer à déterminer des dates qui ont un sens pour les géologues. Mais les techniques progressent encore aujourd'hui car, à chaque pas en avant, une multitude de nouvelles questions scientifiques peuvent être posées et répondues.
Méthodes de datation isotopique
Il existe deux méthodes principales de datation isotopique. On détecte et compte les atomes radioactifs à travers leur rayonnement. Les pionniers de la datation au radiocarbone ont utilisé cette méthode car le carbone 14, l'isotope radioactif du carbone, est très actif, se désintégrant avec une demi-vie de seulement 5730 ans. Les premiers laboratoires de radiocarbone ont été construits sous terre, en utilisant des matériaux antiques antérieurs à l'ère de la contamination radioactive des années 40, dans le but de maintenir un faible rayonnement de fond. Même ainsi, il peut falloir des semaines de comptage des patients pour obtenir des résultats précis, en particulier dans les anciens échantillons dans lesquels il reste très peu d'atomes de radiocarbone. Cette méthode est toujours utilisée pour les isotopes rares et hautement radioactifs comme carbone-14 et tritium (hydrogène-3).
La plupart des processus de désintégration d'intérêt géologique sont trop lents pour les méthodes de comptage de désintégration. L'autre méthode repose sur le comptage des atomes de chaque isotope, sans attendre que certains d'entre eux se désintègrent. Cette méthode est plus difficile mais plus prometteuse. Cela implique de préparer des échantillons et de les faire spectromètre de masse, qui les tamise atome par atome en fonction du poids aussi soigneusement que l'une de ces machines de tri des pièces.
Pour un exemple, considérons le méthode de datation potassium-argon. Les atomes de potassium se présentent sous trois isotopes. Le potassium 39 et le potassium 41 sont stables, mais le potassium 40 subit une forme de désintégration qui le transforme en argon 40 avec une demi-vie de 1 277 millions d'années. Ainsi, plus un échantillon vieillit, plus le pourcentage de potassium-40 est petit et, inversement, plus le pourcentage d'argon-40 est élevé par rapport à l'argon-36 et à l'argon-38. Compter quelques millions d'atomes (facile avec seulement quelques microgrammes de roche) donne des dates assez bonnes.
La datation isotopique a sous-tendu tout le siècle de progrès que nous avons fait sur la véritable histoire de la Terre. Et que s'est-il passé pendant ces milliards d'années? C'est assez de temps pour s'adapter à tous les événements géologiques dont nous avons jamais entendu parler, avec des milliards restants. Mais avec ces outils de rencontres, nous avons été occupés à cartographier les temps profonds, et l'histoire devient plus précise chaque année.