La radiodatation par la méthode Argon-Argon

Par Patrick Thollot

La datation en archéologie répond à deux objectifs : placer une occupation de site ou un événement particulier (comme une éruption volcanique) dans le temps, et quantifier sa durée.

Pour cela, deux grandes catégories de datation sont utilisées : la datation relative d’abord, dont la méthode la plus importante est la stratigraphie séquentielle, empruntée à la géologie ; et la datation absolue qui utilise soit un phénomène naturel que l’on peut caler sur une échelle dans le temps, telle la dendrochronologie qui étudie les cernes annuels des végétaux ligneux, ou un phénomène physique immuable : la radioactivité. On parle alors de radiodatation et de radiochronologie.

La datation au carbone 14, la plus connue, donne un âge précis sur les 50 000 ans avant le présent, mais la méthode est biaisée par certaines hypothèses de départ, notamment sur la détermination de la quantité initiale des éléments. Les méthodes K-Ar (Potassium Argon) et sa dérivée Argon-Argon, surtout utilisées sur les temps géologiques, peuvent également être appliquées à des périodes bien plus récentes, jusqu’à l’époque romaine.

 

 Principe de la radiodatation

Un mode de datation absolue

La radiodatation est basée sur un phénomène physique : la radioactivité. Il existe une centaine d’éléments, caractérisés par leur nombre de protons dans le noyau de l’atome, et dont chacun compte plusieurs isotopes, au nombre de neutrons différent. Certains isotopes de certains éléments sont instables et se désintègrent spontanément en d’autres éléments, émettant des particules et un rayonnement – ce sont des éléments radioactifs. Typiquement, un élément « père » donne un élément « fils » ou radiogénique. La radioactivité est un phénomène immuable et ne dépendant pas des conditions (pression, température...) du milieu. Si on note N la quantité d’atomes de l’élément père, la variation dN de ce nombre pendant un temps dt est telle que :

dN/dt = - λN où λ est une constante propre à l’élément et à la désintégration considérée que l’on doit préalablement mesurer.

La diminution de la quantité en élément père est proportionnelle à cette quantité : N subit une décroissance exponentielle qui ne dépend que du temps et de λ. On caractérise notamment le temps T, « demie-vie », au bout duquel la moitié d’une quantité initiale d’atomes Père s’est désintégrée :

T = ln(2) / λ

À partir des quantités d’éléments père et fils à l’instant de la mesure, on peut donc connaître le temps s’étant écoulé depuis que le système étudié s’est refermé (mort d’un organisme dans le cas de la méthode au 14C, cristallisation d’une lave dans le cas de la méthode Ar-Ar). Dans les méthodes radiochronologiques, on date cet événement : la fermeture du système. Le point délicat consiste à déterminer précisément les conditions de cette fermeture, et de s’assurer que le système ne s’est pas rouvert, permettant des échanges d’éléments avec l’extérieur et faussant d’autant la datation.

De nombreuses méthodes pour des plages de temps différentes

Les méthodes radiochronologiques sont utilisées depuis longtemps par les géologues étudiant les sédiments, les météorites, les éruptions volcaniques... De nombreux couples d’éléments Père-Fils sont utilisés, pour des périodes différentes en fonction de leur temps de demi-vie. En effet la quantité d’éléments Père et Fils doit être assez importante pour être mesurable précisément (assez de Fils formé ou assez de Père restant). On considère qu’on peut dater jusqu’à environ 5 à 10 fois la demie-vie d’un élément.

quelques couples Père-Fils et la demi-vie associée
Père Fils Demie-vie (en années)
Samarium 147 Néodyme 143 106 milliard
Rubidium 87 Strontium 87 48,8 milliard
Uranium 238 Plomb 206 4,5 milliard
Potassium 40 Argon 40 1,26 milliard
Bérilyum 10 Bore 10 1,52 million
Carbone 14 Azote 14 5 715

Les couples les plus utilisés en géologie sont le Samarium/Néodyme (datations à la formation de la Terre il y a 4,5 milliard d’années), le Rubidium/Strontium (roches magmatiques), le Bérilyum/Bore (sédiments récents (quelques millions d’années) et le Potassium/Argon (roches magmatiques sur toute l’histoire de la Terre). Ce dernier couple, utilisé dans la méthode Argon-Argon, permet de dater jusqu’à des événements historiques.

 

 Spécificité de la méthode Ar-Ar

Le couple K-Ar

Le Potassium 40 est radioactif et se désintègre en deux éléments, le Calcium 40 et l’Argon 40, dans des proportions fixes et connues avec une demi-vie globale de 1,26 milliard d’années, durée idéale pour dater des roches terrestres. L’argon étant un gaz, il s’échappe facilement dans une roche en fusion. La fusion ramène ainsi à zéro la quantité d’argon dans la roche. Après cristallisation des minéraux, l’argon réapparaît, produit par la désintégration du potassium. En théorie, la mesure de l’argon dans la roche donne l’âge de l’échantillon. Cependant il peut y avoir des biais. En effet les isotopes de l’argon peuvent dans certains cas s’échapper d’une roche (fissures, circulation de fluides...) ou être apportés depuis des bulles de gaz piégées dans la roche, d’origine atmosphérique (l’atmosphère est constituée à 1% environ d’argon) ou profonde, modifiant notamment la teneur de la roche en Argon 40 utilisé pour la datation.

Méthode de mesure

La méthode Argon 39 / Argon 40 permet de distinguer les sources d’argon. On place l’échantillon au cœur d’un réacteur nucléaire où il est irradié par des neutrons à un taux connu, transformant une partie du potassium 39 en argon 39 (isotope radioactif n’existant pas naturellement car d’une demi-vie de 269 ans). L’échantillon est ensuite chauffé dans un four par incréments de température, relâchant plus d’argon à chaque palier. On mesure le rapport 40Ar/39Ar. Si l’argon 40 est bien issu de potassium 40 de la roche, il sera libéré de la même manière que l’argon 39 issu du potassium 39. S’il y a un excès d’argon d’origine inconnue le rapport 40Ar/39Ar ne sera pas constant pour toute la plage de températures. On obtient un spectre des rapports 40Ar/39Ar en fonction de l’argon 39 total relâché. Si l’on observe un plateau de 40Ar/39Ar constant, on peut donner une date. Si 40Ar/39Ar varie on ne peut pas obtenir un âge.

 

 Applications (en archéologie)

En pratique

Avec les progrès des équipements d’analyses, il suffit d’un échantillon de quelques milligrammes de roche pour effectuer une datation précise, au lieu de dizaines de grammes nécessaires avec la méthode Potassium/Argon. En effet, dans celle-ci, au contraire de la méthode Argon/Argon, il faut quantifier le potassium et l’argon indépendamment selon des procédés différents, ce qui demande plus de matériel et augmente les incertitudes de mesure. Avec la seconde méthode, des lasers de dernière génération chauffent très précisément la roche en conservant son intégrité, permettant la mesure de l’argon. La précision qui en résulte permettrait théoriquement de dater des roches aussi jeunes qu’un millier d’années, à 10 % près.

Utilisation à Pompéi

La Villa de Poppée à Oplontis ©UMR8546
La Villa de Poppée à Oplontis ©UMR8546

En 1997 une équipe de chercheurs des universités de Berkeley (Calif.) et de Naples a daté des minéraux riches en potassium extraits de la Villa de Poppée à Oplontis (moderne Torre Annunziata), près de Pompéi, formés lors de l’éruption du Vésuve et a obtenu un résultat probant via la méthode Argon/Argon, datant (certes à plus ou moins 100 ans près) la roche à l’an 72.

La datation de roches volcaniques via cette méthode est aussi utilisée pour estimer l’âge de fossiles d’hominidés des derniers millions d’années : on peut avoir un intervalle d’âge en datant des couches volcaniques sous- et sus-jacentes au fossile. La précision peut atteindre quelques dizaines de milliers d’années, ce qui est très précis quand on travaille sur un fossile âgé de 3 millions d’années.

Patrick Thollot
(élève TAO, 1ère année, 2006)


Articles de la rubrique