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Datation radioactive

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Datation radioactive

Message par Cyrille C. le Mar 20 Mai 2008, 22:43

LA DATATION RADIOACTIVE




INTRODUCTION
La datation est un point important de la découverte archéologique. Elle permet de connaître l’ordre de déroulement des différents évènements que l’on peut lire sur le terrain. La datation permet, en premier lieu, de lier tous les points du site archéologique ; mais elle permet aussi et surtout de pouvoir relier les différents sites entre eux. Il existe deux méthodes de datation possibles : les datations relatives et les datations absolues. Celle qui nous intéresse cette fois-ci est une méthode absolue. Mais il est peut-être bon de rappeler une définition des deux types de datations. Les méthodes dites relatives utilisent les comparaisons pour « dater ». En réalité, on ne fait que placer les objets, c'est-à-dire matériel archéologique, unités stratigraphiques ou structures, les uns par rapport aux autres. Les méthodes dites absolues utilisent une particularité de l’objet que l’on peut quantifier par rapport au temps. La méthode absolue qui nous intéresse est celle qui utilise la radioactivité. Cette méthode que l’on peut aussi appelerradiochronologie se base sur la désintégration d’éléments radioactifs. De quelles façons peut-on dater à partir de cette désintégration radioactive ? Cette méthode possède-t-elle des limites ? Cet exposé tentera d’y répondre. Il existe plusieurs datations radioactives, celle au carbone-14 est la plus utilisée et celle que nous allons grandement développer. Les autres méthodes que nous allons aussi évoquer sont les datations utilisant le couple Potassium (K) / Argon (Ar), le couple Uranium / Thorium, le couple Rubidium (Rb) / Strontium (Sr) et le couple Uranium / Plomb. Chaque méthode sera illustrée d’un exemple afin de pouvoir en apprécier l’application.


1. LA RADIOCHRONOLOGIE
La radiochronologie exploite la relation qui existe entre le rapport isotopique et la durée écoulée depuis la fermeture du système, c'est-à-dire qui n’échangeplus d’atomes avec l’extérieur.Le calcul de l’âge se fait à partir de la mesure des isotopes père et/ou fils.
• Définition des termes :
 Isotope : d’un élément radioactif possède le même nombre de protons mais diffère par le nombre de neutrons.
 Système : structureprésentant les éléments datant (matière organique, rocheuse, etc.).

De nombreux éléments chimiques possèdent des isotopes naturels radioactifs, instables, appelés élément père qui se désintègrent spontanément en éléments stables non-radioactifs appelés élément fils. Ce phénomène s’accompagne de l’émission d’un rayonnement ,  ou .
La décroissance radioactive de l’élément père se fait selon une loi exponentielle en fonction du temps :
Pt = P0.e-t
Pt= le nombre d’atome de l’isotope père au temps t
P0= le nombre d’atome de l’isotope père au temps t=0
e= la fonction exponentielle
= la constante de radioactivité ou constante de désintégration radioactive

La durée nécessaire pour que la quantité d’élément père diminue de moitié est appelée période radioactive ou demi-vie. Elle reste constante pour un élément radioactif donné.
T=5 730 ans pour le 14C
T=1,25 Ga pour le 40K (millions d’années)
T=49 Ga pour le 87Rb

La datation n'est valide que si on mesure des durées allant du centième à dix fois la demi-vie de l’isotope.


2. LE CARBONE-14 OU RADIOCARBONE.
A. LA THÉORIE

L’isotope 14 du carbone a été découvert par les physiciens dans les années 30, mais le principe est dû à W. F. Libby qui reçut le prix Nobel de chimie en 1960. Il a démontré que l’on pouvait utiliser les restes de l’isotope 14 dans les matières carbonées fossiles pour les dater. Parmi les premières datations figurent la grotte de Lascaux.
Il faut savoir que la matière vivante fixe le carbone-14, qui est contenu en petite proportion dans le gaz carbonique de l’atmosphère. Cette production de carbone-14 dans l’atmosphère se fait de façon continue mais sans d’accumulation car celui-ci est radioactif : c'est-à-dire qu’il se désintègre spontanément pour redonner un atome d’azote. Tant que les matières carbonées de la biosphère restent en échange avec ce gaz carbonique, elles présentent cette teneur constante en carbone-14. A la mort de l’organisme, donc à la fermeture du système, la fixation du radiocarbone cesse et sa concentration diminue avec le temps, du fait de sa radioactivité. Et connaissant la loi physique de la décroissance de la radioactivité qui régit cette disparition progressive, il est possible en mesurant le taux résiduel de carbone-14 d’une matière carbonée donnée de déterminer le temps écoulé depuis sa mort.
• Les matériaux utilisables avec cette méthode :
o Le charbon de bois : reste le meilleur outil de datation par radiocarbone.
o Les ossements : très employés.
o Les macro-restes végétaux et les restes organiques
Il existe deux méthodes pour mesurer cette teneur résiduelle du carbone-14 : le comptage de la radioactivité du carbone-14 et la spectrométrie de masse (S.M.A.). La première méthode sera la seule utilisée de l’invention de la méthode en 1950 jusque dans les années 80. Pour cette méthode, on introduit dans les compteurs de 2 à 10 g de carbone préparé à partir de l’échantillon à mesurer, d’environ 300 g prélevés sur le terrain. La seconde technique réduit la quantité de matériel utilisé puisqu’il ne suffit que d’un seul milligramme pour pouvoir dater un prélèvement.
Le radiocarbone ne peut pas donner des âges supérieurs à 50 000 ans. La datation obtenue par la méthode du carbone 14 sera exprimée en date BP (BeforePresent) ; le zéro de la datation BP correspond à l’année 1950. Pour obtenir une date en avant ou après Jésus-Christ à partir d’une date BP il suffit de la soustraire à 1950.

B. L’EXEMPLE : LE SITE DE SOLUTRÉ
Le site a été découvert en 1866 par Adrien Arcelin ; en Bourgogne à 10 km de Mâcon.On y découvre une zone de foyers contenant de nombreux outils en silex (pointes de flèches ou de lances, grattoirs, racloirs, perçoirs, lames, nucléus, etc.) et de la faune. Après deux années de fouilles, les archéologues concluent alors à la présence d’une station de chasse préhistorique. Six campagnes vont permettre la compréhension de la formation géologique du site. Sur l’ensemble du site préhistorique s’étendait aussi un vaste cimetière du haut Moyen Age dont la majorité des tombes fut découverte et explorée avant 1874.Dès les premières publications, ces sépultures sont rattachées en partie à la Préhistoire en raison des observations stratigraphiques. Cette position suscita très vite des critiques à cause du caractèreplutôt illusoire de la stratigraphie de Solutré, victime d’importants glissements de terrain. En 1972, Raymond Riquet apporte la preuve de la datation des squelettes en utilisant la méthode du carbone-14. Pour ces squelettes, il obtient la date d’environ 1550 +/- 90 BP, c'est-à-dire une date absolue comprise entre 310 et 490. Les sépultures du site de Solutré appartiennent donc à un vaste cimetière du haut Moyen âge, celui étant situé sur des couches anciennes où se retrouve du matériel paléolithique.
L’utilisation de la méthode de datation au carbone-14 est facilitée par l’abondance des matières osseuses à tous les niveaux archéologiques et de leur excellente conservation. D’ailleurs, ce site, par ces conditions très favorables, fut utilisé pour améliorer la technique de préparation du matériel à dater.L’utilisation de la S.M.A. a permit de dater les couches les plus anciennes, remontant au moustérien ; avec la date de 55 000 BP, ils ont établi un petit record de datation dans les limites des possibilités de cette méthode de datation.
La généralisation de cette méthode de datation dans les années 1970 a permit de l’utiliser au fur et à mesure des six campagnes de fouilles que connu ce site ; les analyses s’étalant ainsi sur 30 ans. Toutes les dates du site sont exprimées en années radiocarbone BP.
Résumé de l’occupation du site :
• Occupation moustérienne autour de 55 000 BP (d’après la cave Denuziller)
• Présence aurignacienne entre 34 000 BP et 29 000 BP (dates contemporaine avec le site d’Arcy-sur-Cure en Bourgogne)
• Occupation gravettienne : autour de 28 000 BP et entre 24 000 BP et 21 500 BP
• Fin de l’occupation entre 17 000 et 15 000 BP
• Les autres dates moins tardives sont considérées comme non fiables


3. LES AUTRES COUPLES
POTASSIUM / ARGON

Le premier couple utilisé est celui rassemblant les éléments Potassium / Argon. Le Potassium-40, un isotope du potassium, se retrouve de façon abondante dans l’écorce terrestre. Lorsqu’il se désintègre, on retrouve à la place du calcium 40 à 89 % et del’argon 40 à 11 %. Lors de la fermeture du système, il est impossible de connaître la quantité d’élément père mais on sait que la quantité d’élément fils, c'est-à-dire issu d’une désintégration est connue et à peu près égale à zéro. L’argon-40 est produit sous forme de gaz ; il présente alors un intérêt tout particulier, car susceptible d’être retenu par les roches.
Si on prend l’exemple d’une éruption volcanique, les coulées de lave en fusion libèrent dans l’atmosphère tout l’argon gazeux contenu dans celle-ci. Une fois la lave refroidit et solidifiée, l’argon ne peut que s’accumuler dans la roche nouvellement formée. La datation s’effectue alors parla mesure des quantités relatives entre le potassium restant et l’argon-40 emprisonné. Cette méthode permet de dater des événements anciens allant de 1 à 300 millions d’années.
Cette technique a été éprouvée à plusieurs reprises avec succès sur diverses roches basaltiques, comme des échantillons lunaires ou encore le gisement abritant les restes de l’australopithèque Lucy (3,2 millions d’années).

URANIUM / THORIUM
Le deuxième couple employé est celui de l’Uranium / Thorium. Ce couple est très utile pour les datations ayant un lien avec le milieu aquatique. En effet,l’uranium-234, qui est soluble dans l’eau, se désintègre en thorium-230, lequel est insoluble et donc tombe au fond de la mer.
Si on prend l’exemple du corail ; celui-ci, vivant, n’assimile que l’uranium-234. Au fur et à mesure que le corail grandit etconstruit son squelette, le thorium-230, issu de la désintégration de 234U, reste prisonnier et s’accumule ainsi. La mesure des quantités respectives des deux éléments, père et fils, dans le corail permet de dater l’édification du squelette.Ce procédé a notamment servi à dater des coraux fossiles, permettant ainsi de rectifier les âges obtenus par radiocarbone.

RUBIDIUM / STRONTIUM
Le troisième couple que l’on peut évoquer est celui mettant en jeu le rubidium et le strontium.Ces deux éléments sont présents dans un grand nombre de roches. Cette méthode qui utilise la désintégration du rubidium-87 en strontium-87 est compliquée par le fait qu’une partie de l’élément fils que l’on retrouve dans l’échantillon n’est pas issu du père. Les quantités initiales, c'est-à-dire lors de la fermeture du système, d’élément père et d’élément fils sont inconnuescar une quantité non négligeable de l’élément fils s’y trouve déjà.
La méthode utilisant ce couple étant compliquée, nous n’allons pas la détailler.
Cette méthode est utilisée pour dater les roches magmatiques et métamorphiques très anciennes.

URANIUM / PLOMB ET PLOMB / PLOMB
Le plomb naturel est un mélange de plusieurs isotopes. Les plombs 206, 207 et 208 sont respectivement issus des désintégrations des Uraniums-238 et 235 et du Thorium-232.Le plomb-204 n’étant pas radiogénique (pas de désintégration radioactive). On dispose donc dans ce cas de plusieurs couples capables de fournir l’âge. Par exemple il est possible d’utilise le coupleuranium-238 / plomb-206 ou bien le couple uranium-235 / plomb-207.Encore mieux, on peut utilise le rapport entre les différents isotopes de plomb pour avoir accès à l’âge. C’est la méthode Plomb / Plomb, qui est plus commode à mettre en œuvre que les méthodes uranium / plomb.
Les plus anciens spécimens ainsi datés, qui sont des roches groenlandaises et canadiennes, remontent à un peu moins de 4 milliards d’années.

CONCLUSION
La méthode de datation utilisant la désintégration radioactive est une méthode fiable qui permet d’obtenir une date sur une large gamme d’objets. Comme nous l’avons vu, la méthode utilisant le carbone-14 est la plus répandue en archéologie. Mais comme toute technique, elle possède des limites que l’on peut pallier par l’emploi d’autres couples éléments radioactifs. Dès lors, l’échelle des dates offerte par la méthode radioactive est relativement large pouvant aller jusqu’au milliard d’années ; il suffit juste que l’échantillon dispose des éléments datant et d’une conservation respectable pour l’analyse. Les méthodes radioactives sont de très bonnes méthodes mais sont toutefois d’une relative complexité à mettre en œuvre, d’un coût qui peut être élevé, et surtout restreintes à un petit nombre d’objets. Il est alors peut-être préférable d’employer d’autres techniques telles que la dendrochronologie, le magnétisme, etc. lorsque cela est possible.

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