Quel Âge a la Terre, et Comment Le Savons-Nous ?

Le processus physique de désintégration radioactive a fourni aux scientifiques de la Terre, aux anthropologues et aux biologistes de l’évolution leur méthode la plus importante pour déterminer l’âge absolu des roches et d’autres matériaux (Dalrymple 1991; Dickin 2005). Cette technique remarquable, qui dépend des mesures des propriétés distinctives des matières radioactives, est appelée géochronologie des radioisotopes, ou simplement « datation radiométrique. »

Des quantités infimes d’isotopes d’éléments radioactifs, y compris le carbone 14, l’uranium 238 et des dizaines d’autres, sont tout autour de nous – dans les roches, dans l’eau et dans l’air (tableau 1). Ces isotopes sont instables, ils se séparent donc progressivement ou « se désintègrent ». »La datation radiométrique fonctionne parce que les éléments radioactifs se désintègrent de manière prévisible, comme le tic-tac régulier d’une horloge. Voici comment cela fonctionne. Si vous avez une collection d »un million d »atomes d »un isotope radioactif, la moitié d »entre eux se désintégrera sur une période de temps appelée « demi-vie. »L’uranium 238, par exemple, a une demi-vie de 4.468 milliards d’années, donc si vous commencez avec un million d’atomes et revenez dans 4,468 milliards d’années, vous ne trouverez qu’environ 500 000 atomes d’uranium 238 restants. Le reste de l’uranium aura désintégré à 500 000 atomes d’autres éléments, en fin de compte à des atomes stables (c’est-à-dire non radioactifs) de plomb-206. Attendez encore 4,468 milliards d’années et il ne restera qu’environ 250 000 atomes d’uranium (Fig. 8).

La méthode de datation radiométrique la plus connue implique l’isotope carbone 14, avec une demi-vie de 5 730 ans. Chaque organisme vivant absorbe du carbone au cours de sa vie. En ce moment, votre corps prend le carbone de votre nourriture et le convertit en tissu, et il en va de même pour tous les autres animaux. Les plantes absorbent le dioxyde de carbone de l’air et le transforment en racines, tiges et feuilles. La majeure partie de ce carbone (environ 99%) se présente sous la forme de carbone 12 stable (non radioactif), tandis que peut-être 1% est le carbone 13 stable légèrement plus lourd. Mais un certain faible pourcentage du carbone de votre corps et de tous les autres êtres vivants — pas plus d’un atome de carbone par billion — se présente sous la forme de carbone radioactif – 14.

Tant qu’un organisme est vivant, le carbone 14 dans ses tissus est constamment renouvelé dans la même proportion de petite partie par billion que celle que l’on trouve dans l’environnement général. Tous les isotopes du carbone se comportent de la même manière chimiquement, de sorte que les proportions d’isotopes du carbone dans le tissu vivant seront presque les mêmes partout, pour tous les êtres vivants. Cependant, lorsqu’un organisme meurt, il cesse de prendre du carbone sous quelque forme que ce soit. À partir du moment de la mort, le carbone 14 dans les tissus n’est donc plus réapprovisionné. Comme une horloge, les atomes de carbone 14 se transmuent par désintégration radioactive en azote 14, atome par atome, pour former un pourcentage toujours plus petit du carbone total. Les scientifiques peuvent ainsi déterminer l’âge approximatif d’un morceau de bois, de cheveux, d’os ou d’un autre objet en mesurant soigneusement la fraction de carbone 14 qui reste et en la comparant à la quantité de carbone 14 que nous supposons dans ce matériau lorsqu’il était vivant. Si le matériau se trouve être un morceau de bois sorti d’une tombe égyptienne, par exemple, nous avons une assez bonne estimation de l’âge de l’artefact et, par inférence, de la date de construction de la tombe. De plus, les scientifiques ont effectué des comparaisons méticuleuses d’année en année des dates du carbone 14 avec celles des chronologies des cernes des arbres (Reimer et al. 2004). Résultat : les deux techniques indépendantes donnent exactement les mêmes dates pour le bois fossile ancien.

La datation au carbone 14 apparaît souvent dans les nouvelles dans les rapports d’anciens artefacts humains. Lors d’une découverte très médiatisée en 1991, un ancien chasseur a été retrouvé gelé dans la banquise des Alpes italiennes (Fig. 9). « Ötzi l’homme des glaces », comme on l’appelait, a été montré par des techniques au carbone 14 datant d’il y a environ 5 300 ans. La technique a fourni des déterminations d’âge similaires pour les tissus de l’homme des glaces, ses vêtements et ses instruments (Fowler, 2000).

La datation au carbone 14 a joué un rôle déterminant dans la cartographie de l’histoire humaine au cours des dernières dizaines de milliers d’années. Cependant, lorsqu’un objet a plus de 50 000 ans, la quantité de carbone 14 qui y reste est si faible que cette méthode de datation ne peut pas être utilisée. Pour dater des roches et des minéraux vieux de millions d’années, les scientifiques doivent s’appuyer sur des techniques similaires qui utilisent des isotopes radioactifs de demi-vie beaucoup plus grande (tableau 1). Parmi les horloges radiométriques les plus utilisées en géologie figurent celles basées sur la désintégration du potassium 40 (demi-vie de 1,248 milliard d’années), de l’uranium 238 (demi-vie de 4,468 milliards d’années) et du rubidium 87 (demi-vie de 47 milliards d’années). Dans ces cas, les géologues mesurent le nombre total d’atomes des éléments parents et filles stables radioactifs pour déterminer le nombre de noyaux radioactifs présents au début. Ainsi, par exemple, si une roche s’est formée à l’origine il y a longtemps avec une petite quantité d’atomes d’uranium mais pas d’atomes de plomb, alors le rapport entre atomes d’uranium et atomes de plomb aujourd’hui peut fournir un chronomètre géologique précis.

Lorsque vous voyez des estimations de l’âge géologique rapportées dans des publications scientifiques ou dans les nouvelles, il est probable que ces valeurs proviennent de techniques de datation radiométrique. Dans le cas de la colonisation précoce de l’Amérique du Nord, par exemple, des restes de feux de camp riches en carbone et des artefacts associés indiquent une présence humaine il y a environ 13 000 ans. Des événements beaucoup plus anciens de l’histoire de la vie, dont certains remontent à des milliards d’années, sont souvent basés sur la datation au potassium-40. Cette technique fonctionne bien car les fossiles sont presque toujours conservés dans des couches de sédiments, qui enregistrent également des chutes de cendres volcaniques périodiques sous forme d’horizons minces. Les cendres volcaniques sont riches en minéraux potassiques, de sorte que chaque chute de cendres fournit un marqueur temporel unique dans une séquence sédimentaire. La montée des humains à propos de 2.il y a 5 millions d’années, l’extinction des dinosaures il y a 65 millions d’années, l’apparition d’animaux à carapace dure à partir d’il y a environ 540 millions d’années et d’autres transitions clés de la vie sur Terre sont généralement datées de cette manière (Fig. 10).

Les roches les plus anciennes connues, y compris le basalte et d’autres formations ignées, se sont solidifiées à partir de fontes chaudes à incandescence. Ces échantillons durables de la lune et des météorites sont généralement pauvres en potassium, mais heureusement, ils incorporent de petites quantités d’uranium 238 et d’autres isotopes radioactifs. Dès que ces roches en fusion refroidissent et durcissent, leurs éléments radioactifs sont verrouillés en place et commencent à se désintégrer. Les plus anciens de ces échantillons sont plusieurs types de météorites, dans lesquelles un peu plus de la moitié de l’uranium d’origine s’est désintégré en plomb. Ces roches spatiales primordiales, restes de la formation de la Terre et d’autres planètes, donnent un âge d’environ 4,56 milliards d’années au système solaire naissant. Les plus anciennes roches lunaires connues, à environ 4,46 milliards d’années, enregistrent également ces premiers événements formatifs (Norman et al. 2003).

La Terre a dû se former à peu près au même moment, mais la surface d’origine de notre planète agitée s’est maintenant érodée. Seuls quelques grains de la taille d’un sable riche en uranium du zircon minéral robuste, certains aussi vieux que 4,4 milliards d’années, survivent (Wilde et al. 2001). Néanmoins, les roches uranifères, sur chaque continent, fournissent une chronologie détaillée de la Terre primitive (Hazen et al. 2008, 2009). Les roches terrestres les plus anciennes, à environ quatre milliards d’années, indiquent les origines précoces des continents. Les roches d’il y a près de 3,5 milliards d’années abritent les plus anciens fossiles non ambigus — des microbes primitifs et des structures en forme de dôme appelées stromatolites, qui ont formé leurs maisons rocheuses (Fig. 11). Des formations sédimentaires riches en uranium et des dépôts stratifiés d’oxydes de fer d’environ 2,5 à 2,0 milliards d’années documentent l’augmentation progressive de l’oxygène atmosphérique par photosynthèse (Hazen et al. 2008, 2009). En effet, chaque étape de l’histoire de la Terre a été datée avec une précision et une précision exquises grâce aux techniques radiométriques.