Le carbone 14, un témoin du passé.

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1 Le carbone 14, un témoin du passé. Hommes, singes, camélias, poissons-scies, tout organisme vivant est radioactif à petite dose. Du carbone 14 est, en effet, présent en faible quantité dans le carbone atmosphérique que nous respirons. Cet isotope, précieux pour les archéologues, permet la datation des éléments organiques (charbon de bois, os brûlés ). Produit dans la haute atmosphère, le carbone 14 s oxyde pour former du gaz carbonique qui est ensuite assimilé par les organismes vivants. Des charbons de bois trouvés sur le sol permirent d établir que la grotte de Lascaux remonte à l époque magdalénienne. Cette méthode, mise au point en 1950, qui utilise la radioactivité naturelle, nous a fourni des dizaines de milliers de dates 14 C. Un véritable calendrier de l histoire terrestre au cours des quarante derniers millénaires a ainsi vu le jour. La méthode a en particulier permis de positionner chronologiquement les cultures définies par les archéologues pour le Paléolithique supérieur et les périodes plus récentes. Elle a également été beaucoup utilisée en paléoclimatologie et dans l authentification de pièces archéologiques ou historiques douteuses. Comment la radioactivité est-elle utilisée? Le carbone 14, élément radioactif, est naturellement présent dans tous les organismes vivants. A leur mort, sa quantité décroît régulièrement. Au bout de ans, il a diminué de moitié. La connaissance de ce temps caractéristique, appelé période, permet d estimer la durée qui s est écoulée depuis la mort d un organisme, par mesure de la proportion de carbone 14 restant. La datation au carbone 14 fournit un âge «conventionnel» qui doit être corrigé et calibré. La constance du taux de formation du carbone 14 dans l atmosphère terrestre, utilisée par la méthode mise au point en 1950, n est, en effet, pas exacte. Elle varie au cours du temps, en fonction de l intensité du Champ Magnétique Terrestre et de l activité solaire. Le carbone14 permet la datation de sites archéologiques remontant jusqu à ans. Le carbone 14 : une méthode parmi d autres. Le carbone 14 est la plus connue des méthodes de datation mais il existe un éventail d autres méthodes à utiliser en fonction des époques et des matériaux. Différentes méthodes sont utilisées en fonction des matériaux présents. Récemment, depuis les années 90, l utilisation d un spectromètre de masse couplé à un accélérateur a permis de repousser sensiblement les limites d application de cette méthode jusqu à ans au lieu de ans. Les gammes d âges couvertes par les différentes méthodes.

2 La décroissance radioactive révèle l âge des roches. Si la méthode de datation au carbone 14 est bien connue, celles du potassium-argon et de l uranium-thorium le sont nettement moins. Pourtant, ces dernières, basées sur le même principe (la décroissance radioactive), sont largement utilisées par les archéologues. La méthode uranium-thorium (U-Th) Cette méthode a servi à élaborer la stratigraphie du Quaternaire en précisant l âge des derniers stades interglaciaires, et ainsi à replacer les sites étudiés dans une chronologie plus précise de l histoire terrestre. Elle est utilisée aussi pour rectifier les datations effectuées par le carbone 14 sur la période comprise entre et ans. La méthode U-Th peut également être utilisée pour dater des ossements ou des dents fossiles. L uranium n est intégré qu après la mort de l animal lorsque les ossements sont en contact avec les eaux de ruissellement. Grotte de la Baume Bonne (Quinson, Alpes de Haute-Provence). Ce site a été daté par les méthodes Uranium-Thorium et la Résonance Paramagnétique Electronique. Les datations ont été faites sur stalagmite, émail dentaire, ossements et silex brûlés. Le site de la Baume Bonne à Quinson a été occupé par les hommes depuis plus de ans. En archéologie, c est surtout la datation de formations stalagmitiques qui a fait connaître la méthode U-Th. Planchers stalagmitiques ou stalagmites sont en effet souvent présents dans les stratigraphies des grottes. L émail dentaire peut être daté par la méthode Uranium-Thorium. Ici, une mandibule fossilisée de rhinocéros. Site d Isernia (Italie) Il a été daté par la méthode potassium-argon. Son âge est compris entre 600 et ans. Vue d un niveau archéologique, avec un crâne de bison, et sur le crâne, un nucléus. Synthèse de datations de planchers stalagmitiques dans le sud de la France. On observe des oscillations climatiques : des périodes chaudes (en rose) et des périodes froides (en blanc). Les méthodes potassium-argon (K-Ar) et argon-argon (Ar-Ar) La méthode de datation potassium-argon est particulièrement adaptée aux minéraux (feldspaths, micas, amphiboles ). Elle a permis de dater de nombreux gisements d Afrique de l Est où beaucoup d hominidés fossiles ont été découverts ainsi que d exceptionnels sites archéologiques et paléontologiques. Le potassium 40 est radioactif. Lorsqu il se désintègre, il forme préférentiellement du calcium, mais dans 11 % des cas, il forme de l argon. Le dosage de ces deux éléments dans un minéral permet donc une détermination de son âge. La méthode argon-argon, variante de la précédente, présente l avantage de fournir des renseignements sur l histoire et l évolution dans le temps de la roche datée. Un événement postérieur à la formation de la roche peut ainsi être décelé : recristallisation, altération, seconde cuisson Depuis une dizaine d années, l utilisation de spectromètres de masse à thermo-ionisation (TIMS) a permis de reculer sensiblement la limite de la méthode uranium-thorium, offrant la possibilité de dater des échantillons dont l âge peut atteindre jusqu à ans. Le site de Dmanissi en Géorgie (dans le Petit Caucase) Il a été daté par paléomagnétisme et par la méthode argon-argon. Les couches de terrain les plus anciennes du site se sont déposées durant une phase magnétique appelée «Olduvaï», plus ancienne que 1,8 million d années. C est le plus vieux site préhistorique connu en Eurasie.

3 Des minéraux datés par leurs dommages. La radioactivité naturelle provoque des dommages dans les minéraux. Ces altérations permettent de les dater. Les minéraux ne sont pas épargnés par le temps. Et c est même le dénombrement des dommages que leur a fait subir la radioactivité, qui permet de calculer leur âge. Traces de fission Les atomes d uranium 238, contenus dans les minéraux, sont radioactifs. Sous l impact d un neutron présent dans le minéral, ils se scindent en deux morceaux qui sont violemment éjectés dans des directions opposées, endommageant localement le réseau cristallin du minéral. Cette réaction nucléaire qui casse un noyau atomique d uranium 238 en deux autres, est nommée réaction de fission. Thermoluminescence et résonance paramagnétique électronique Les minéraux sont altérés aussi par la radioactivité extérieure : les éléments radioactifs (uranium, thorium, potassium) qui les entourent les irradient en permanence. Sous l effet de cette irradiation, ils libèrent des électrons qui sont piégés dans les irrégularités de leur réseau cristallin. Dénombrer les électrons ainsi piégés permet de connaître la dose de radiation qu a reçue le minéral au cours de son existence et donc son âge. Ce phénomène est à l origine de plusieurs méthodes de datation, comme la Thermoluminescence (TL) ou la Résonance Paramagnétique Electronique (RPE). On peut, grâce à une attaque chimique, comptabiliser les traces de fission ainsi produites et connaître l âge du minéral. Cette «méthode par traces de fission», est principalement appliquée à la datation de minéraux volcaniques et a participé à l élaboration d un cadre chronologique pour l Afrique de l Est. Racloir en silex éclaté par le feu de la grotte de la Baume Bonne (Quinson, Alpes de Haute-Provence). Le silex brûlé peut être daté grâce à la thermoluminescenc et à la Résonance Paramagnétique Électronique. De nombreux échantillons de ce plancher stalagmitique de la Grotte de la Baume Bonne (Quinson, Alpes de Haute-Provence) ont été datés par la méthode de Résonance Paramagnétique Électronique et par la méthode uranium-thorium. Son âge est d environ 130 à ans. Néandertal - Homo sapiens : la thermoluminescence bouleverse la chronologie La méthode de datation par thermoluminescence est surtout utilisée en Préhistoire pour dater les silex brûlés paléolithiques. La datation d échantillons provenant de sites préhistoriques du Moyen-Orient a ainsi permis de montrer que, dans cette région, les hommes modernes et les néandertaliens ont coexisté, et que de plus, les hommes modernes occupaient la région avant les néandertaliens. La TL peut également être utilisée pour dater des sédiments qui ont été exposés à la lumière solaire, comme les loess, et des carbonates quaternaires.

4 L âge des paysages Les réactions dues à l interaction des rayonnements cosmiques avec la Terre et les traces qu elles y laissent permettent la datation des évènements qui modèlent la surface de notre planète, tels que les évènements climatiques et tectoniques. Lorsqu elles sont mises à nu lors d un tremblement de terre ou du recul d un glacier, les roches auparavant protégées sont bombardées par le rayonnement cosmique : grâce à ces événements, on reconstitue l histoire climatique et tectonique. Notre planète et son atmosphère sont en permanence, et de toutes parts, bombardées par des particules très énergétiques qui constituent le rayonnement cosmique. Les rayons cosmiques sont composés à : 99 % de protons et de noyaux d hélium ; 1 % de noyaux atomiques plus lourds. Dans l atmosphère terrestre, ces particules percutent les noyaux atomiques du gaz à très haute altitude. De ces chocs résulte la création de noyaux atomiques appelés nucléides cosmogéniques et l émission de particules secondaires, principalement des neutrons, qui, à leur tour, heurtent violemment d autres atomes de l atmosphère. L ensemble forme une «gerbe atmosphérique». Si la plupart des particules de la gerbe dissipent toute leur énergie dans l atmosphère, environ 0,1 % d entre elles atteignent les roches du sol, où elles réagissent et entraînent la production de nucléides cosmogéniques. Les produits de ces réactions sont analysés afin de reconstituer l histoire des glaciers, des paysages et des tremblements de terre. L absorption de l énergie des particules issues du rayonnement cosmique est particulièrement efficace dans la matière dense de la croûte terrestre : la production des nucléides cosmogéniques est donc limitée aux premiers mètres situés sous la surface. Pour savoir depuis combien de temps la roche a été exposée, on mesure la quantité de nucléide cosmogénique accumulée. A partir de la fréquence de production d un nucléide cosmogénique et, quand il est radioactif, grâce à sa période, on peut alors dater l évènement responsable de cette «mise au jour». Cette méthode de datation est particulièrement efficace pour la matière dense de la croûte terrestre : les traces laissées par la réaction (nucléides cosmogéniques) sont limitées aux premiers mètres situés sous la surface.

5 La datation des premiers Européens Dmanissi En 1991, une découverte extraordinaire réalisée à Dmanissi en Géorgie révolutionnait nos connaissances sur l origine du peuplement européen. En effet, cette année-là, les chercheurs géorgiens découvraient deux crânes humains extrêmement archaïques jusqu alors inconnus hors d Afrique. Les fouilles qui se poursuivent encore aujourd hui ont livré récemment deux nouveaux crânes et de nombreux ossements humains associés à des outils en pierre taillée et des restes de grands mammifères. Afin de dater ce site, les scientifiques ont appliqué plusieurs méthodes : les méthodes dites relatives (stratigraphie, étude des faunes), une méthode de datation indirecte, le paléomagnétisme, une méthode de datation basée sur la radioactivité, la méthode Ar-Ar. L ensemble des résultats a permis de dater la première sortie d Afrique et le début du peuplement de l Eurasie d il y a 1,8 million d années. légende Le site de Dmanissi (Géorgie) septembre Atapuerca Gran Dolina Restes humains du site de Dmanissi (Géorgie) datés de 1,8 million d années. Ce sont les plus vieux témoignages d une présence humaine en Europe et en Asie. La Sierra de Atapuerca est une montagne du centre de l Espagne à une quinzaine de kilomètres de Burgos. Cette montagne est creusée d un très grand nombre de grottes et de dolines qui renferment toutes des témoignages des hommes préhistoriques qui ont vécu dans la Sierra à des époques très variées. Certains de ces sites sont devenus très célèbres et sont des références incontournables de la Préhistoire mondiale. Site de Gran Dolina dans la Sierra de Atapuerca (région de Burgos, en Espagne) en cours de fouille. Une strate de ce célèbre gisement contient des restes humains datés de ans. Crâne humain du site de Gran Dolina (Atapuerca, Espagne) daté de ans. Tautavel, première datation directe d un crâne humain Le 22 juillet 1971 était découvert dans la Caune de l Arago à Tautavel une face humaine complète que les scientifiques ont appelée Arago XXI. Pour la première fois, un visage de nos lointains ancêtres nous apparaissait. Aujourd hui, ce sont plus de 100 restes humains qui ont été découverts dans cette célèbre grotte des Pyrénées Orientales. Ce site est sûrement l un des mieux datés au monde. Au début des années 1980, un grand colloque international a été organisé à Tautavel réunissant des géologues et des physiciens spécialistes de méthodes de datation très variées. Tous ont appliqué leurs disciplines à la datation du site et ont confronté leurs résultats lors de ce colloque. Ce fut aussi l occasion d une première mondiale : la datation directe du crâne Arago XXI par une nouvelle méthode non destructive, la spectrométrie gamma. Ainsi l âge de ans attribué à l homme de Tautavel, est parfaitement étayé. Quelques années plus tard, cette même méthode fut appliquée pour l un des crânes du site de Qafzeh en Israël, confirmant la présence très ancienne des «Homo sapiens» au Proche-Orient il y a environ ans. Par exemple, dans un aven appelé Sima de los Huesos, les archéologues ont retrouvé des milliers d ossements humains appartenant à au moins trente deux Homo erectus dont les cadavres ont été jetés dans l aven, il y a plus de ans. Autre site célèbre beaucoup plus ancien : celui de Gran Dolina qui renferme une riche stratigraphie qui va d environ un million d années à ans. Dans une strate devenue célèbre dans la Préhistoire sous le nom de «Aurora strate» ou TD6, ont été retrouvés les restes de six individus associés à une industrie de pierre très archaïque. D après ces ossements, une nouvelle espèce humaine a été créée : «Homo antecessor». Les physiciens ont daté cette strate de ans en appliquant principalement deux méthodes : la résonance paramagnétique électronique et le paléomagnétisme. La spectrométrie Gamma Un rayonnement γ (gamma) consiste en l émission d un photon. La spectrométrie gamma, par l étude des rayonnements gamma permet d identifier les radio-nucléides en fonction de leur énergie. Le crâne de l Homme de Tautavel a été daté par spectrométrie gamma, méthode basée sur la radioactivité. Son âge est de ans. La Caune de l Arago (Tautavel, Pyrénées Orientales) en cours de fouilles.