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Différentes méthodes de datation au service de la géologie

La Terre, un astre singulier

Différentes méthodes de datation au service de la géologie

1 heure

10 points

Intérêt du sujet • Certains phénomènes lents tels que l'évolution de la vie ou les évènements géologiques ne peuvent être conçus que dans un cadre temporel long. Comment l'expérimentation et l'évolution des techniques ont-elles permis de dater avec précision l'âge de la Terre ?

 

La datation est une belle illustration de la coopération entre plusieurs champs disciplinaires : la paléontologie, la biologie, les sciences physiques notamment à travers les connaissances sur la désintégration radioactive et l'archéologie qui utilise ces savoirs scientifiques et ces techniques pour étudier le mode de vie passé des êtres humains.

Partie 1 • L'histoire de la détermination de l'âge de la Terre

Document 1L'âge de la Terre

Au Moyen Âge et à la Renaissance, les experts religieux et astronomes définissent un âge de la Terre de 6 000 ans. Cet âge se base sur la création divine : la Terre et les espèces, puis l'Homme, ont été créés en une semaine il suffit donc d'additionner les générations, de descendant en descendant jusqu'à Adam.

En 1778, Buffon pense que la Terre et les planètes, animées d'un même mouvement anti-horaire, sont des morceaux de Soleil arrachés par sa collision avec une comète. Il estime l'âge de la Terre en mesurant le temps de refroidissement de boulets métalliques, chauffés au rouge. Par analogie, en considérant le diamètre de la Terre, il propose un âge de 96 670 ans et prédit qu'elle sera encore habitable pendant quelques dizaines de milliers d'années.

Document 2Les apports de la radioactivité

La découverte de la radioactivité à la fin du xixe siècle permet de comprendre­ que le flux d'énergie thermique rayonné par la Terre n'est pas seulement dû à l'énergie thermique initiale, mais aussi à la désintégration de certains noyaux radioactifs contenus dans les roches, principalement celles du manteau terrestre.

La radioactivité est aussi utilisée comme méthode de datation. En 1902 Ernest Rutherford montre que le rapport isotopes radioactifs/isotopes radiogéniques ne dépend que du temps et constitue donc une horloge fiable.

Source : Enseignement scientifique 1re, Doc. 2 p. 156, Hatier, 2019

Document 3L'apport des météorites

En 1950, Clair Patterson utilise des météorites pour proposer un âge de la Terre réaliste. Considérées comme des restes non agrégés en planète du système solaire, les météorites sont donc les témoins de sa formation. Les nouvelles technologies dont Patterson dispose lui permettent de proposer un âge absolu pour la Terre : 4,57 milliards d'années.

À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 1 à 3, répondre aux questions suivantes.

1. a) Citez, à partir de vos connaissances, un fait d'observation géologique ou biologique qui permette d'invalider l'estimation de l'âge de la Terre proposée par Buffon.

b) Selon Buffon, la Terre devrait cesser d'être habitable après un certain temps. À partir du document 1, expliquer ce qui, dans ses hypothèses, a pu l'amener à cette conclusion.

c) Montrer en quoi la découverte de la radioactivité a remis en cause l'hypothèse initiale de Buffon, et d'autres après lui qui cherchaient à estimer le temps de refroidissement de la Terre depuis sa formation.

2. Expliquer l'intérêt des météorites par rapport aux roches de la croûte terrestre pour estimer l'âge de la Terre.

Partie 2 • Datation de la fresque de Çatalhöyük

Document 4Rapport 14C/12C de la matière vivante et du CO2 atmosphérique

La méthode de datation par le carbone 14 a permis d'estimer l'âge de nombreuses peintures rupestres à base de matières organiques. Elle est basée sur la mesure dans les échantillons testés du rapport 14C/12C, le 12C étant un isotope stable du C. Le rapport 14C/12C est stable au cours du temps.

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Document 5La peinture murale de Çatalhöyük

Les vestiges de Çatalhöyük (Turquie), vieux de plusieurs milliers d'années, constituent l'une des plus anciennes villes connues. On y a découvert une peinture murale, reproduite ci-dessus. L'interprétation de cette peinture fait l'objet d'une controverse. Selon certains chercheurs, elle représenterait une peau de léopard au-dessus de motifs géométriques. Pour d'autres, il s'agirait d'un volcan en éruption explosive surplombant un plan de la ville.

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D'après A. K Schmitt et al., PLOS ONE, 2014

Les volcans les plus proches, les sommets jumeaux du Hasan Dagi, sont situés à 130 km du site. Ils sont constitués de roches typiques des volcans explosifs. Trois cristaux de zircon extraits d'une roche d'un des deux sommets ont été datés par une méthode radiochronologique, et le schéma ci-dessous montre les résultats.

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Les charbons de bois associés à la peinture murale de Çatalhöyük ont été datés par la méthode du carbone 14. Le nombre de désintégrations d'atomes de carbone 14 dans ces échantillons de charbon de bois est compris entre 4,2 et 4,8 U.A.

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Les réponses aux questions suivantes s'appuieront sur vos connaissances et sur les informations apportées par les documents 4 et 5.

3. Décrire la méthode de datation au carbone 14. Expliquer pourquoi elle ne permet pas de dater des échantillons au-delà de 50 000 ans.

4. Estimer par un encadrement graphique sur la courbe du document 5 ci-avant, l'ancienneté de la peinture de Çatalhöyük et expliquer en quoi l'ensemble des données obtenues par radiochronologie, laisse penser que les peintres de Çatalhöyük, ont représenté l'éruption d'un volcan proche.

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 5 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 5 lignes ;Ligne 1 : Document 1 •L'âge de la Terre; Il décrit une première démarche scientifique basée sur l'analogie pour déterminer l'âge de la Terre.Repérez l'argument sur lequel repose la démarche expérimentale de Buffon.; Ligne 2 : Document 2 •Les apports de la radioactivité; Ce document présente dans son contexte historique la découverte de la radioactivité.Il est à mettre en relation avec le précédent.; Ligne 3 : Document 3 •L'apport des météorites; Il présente la dernière étape ayant permis d'estimer l'âge de la Terre, validé par la communauté scientifique.Identifiez l'argument démontrant que les météorites sont des témoins plus fiables des origines de la Terre que les roches terrestres elles-mêmes.; Ligne 4 : Document 4 •Rapport 14C/12C de la matière vivante et du CO2 atmosphérique; Les principes de la méthode de datation au carbone 14 sont présentés ici.Identifiez les mécanismes biologiques sur lesquels repose cette technique. Montrez qu'ils sont à l'origine d'un échange permanent de carbone entre atmosphère et êtres vivants.; Ligne 5 : Document 5 •La peinture murale de Çatalhöyük; Il présente une peinture murale humaine, au temps de l'âge de pierre.Trouvez des arguments pour montrer que les peintres ont pu assister à une éruption volcanique (explosive).;

Répondre aux questions

Coup de pouce

2. Appuyez-vous sur le texte du document 3 et sur vos connaissances sur l'érosion des roches terrestres.

Aide à la résolution de la question 4

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Partie 1 • L'histoire de la détermination de l'âge de la Terre

1. a) La démarche de Buffon a eu le mérite de proposer un âge de la Terre plus éloigné que celui des 6 000 ans obtenu par interprétation littérale de la Bible. Or, à son époque, le xviiie siècle, on avait commencé à étudier les grands bassins sédimentaires comme le bassin Parisien ou celui de Londres.

On savait, en mesurant les taux de sédimentation, que pour accumuler une dizaine de centimètres de sédiments, il fallait des milliers d'années. Aussi, en appliquant le principe de l'actualisme, on aurait dû arriver assez vite à la conclusion que l'âge des sédiments les plus profonds des grands bassins sédimentaires dépassait quelques millions d'années. Certains scientifiques proposaient alors des périodes de déluges au cours desquels la sédimentation aurait été accélérée, mais cela ne convainquait pas la ­communauté scientifique.

mot-clé

L'actualisme est un des principes fondateurs de la géologie qui postule que les processus qui se sont exercés dans le passé lointain s'exercent encore de nos jours.

Enfin, au xixe siècle, la théorie de l'Évolution – qui impliquait des changements lents des espèces – ne pouvait se concevoir dans un cadre temporel de quelques milliers d'années, là encore il fallait imaginer une évolution des espèces sur plusieurs millions d'années.

b) Buffon pense que la Terre et les planètes, animées d'un même mouvement anti-horaire, sont des morceaux de Soleil arrachés par sa collision avec une comète. Il suppose donc que la température à la surface de la Terre dépend de l'énergie emmagasinée lors de sa formation. Ainsi puisque la Terre se refroidit, elle atteindrait des températures très basses, incompatibles avec la vie.

c) La découverte de la radioactivité à la fin du xixe siècle permet de comprendre que le flux d'énergie thermique diffusé par la Terre n'est pas seulement dû à l'énergie thermique initiale, mais aussi à la désintégration de certains noyaux radioactifs contenus dans les roches, principalement celles du manteau terrestre. On ne peut donc pas estimer l'âge de la Terre à partir de la durée de refroidissement d'une sphère magmatique initiale car il faut tenir compte de la chaleur produite par radioactivité en même temps qu'elle évacuait l'énergie thermique initiale. Pour atteindre son état actuel il a fallu plus de temps que ce que Buffon avait imaginé.

à noter

Selon le programme, ne pas utiliser le terme de « chaleur », mais privilégier l'expression d'« énergie thermique ».

2. Considérées comme des restes non agrégés en planète du système solaire, les météorites sont les témoins de sa formation. Présentes dans le système solaire depuis sa formation, elles n'ont pas subi les remaniements liés à l'érosion et l'altération des roches de surface des planètes, ni les remaniements liés à la tectonique des plaques. Alors qu'il ne reste aucune roche témoin de l'origine de la Terre dans la croûte terrestre (même s'il reste quelques fragments très âgés), les météorites qui continuent de s'écraser sur Terre sont des témoins de la création du système solaire. Leur datation donne l'âge du système solaire et donc de la Terre.

Partie 2 • Datation de la fresque de Çatalhöyük

3. Le carbone 14 se forme en permanence dans l'atmosphère à partir de l'azote 14. C'est un isotope instable du carbone qui se désintègre au cours du temps. Le carbone 12, lui, est un isotope stable du carbone. On estime que le rapport carbone 14/carbone 12 reste constant au cours du temps.

Le conseil de méthode

Il est important de comprendre ce qu'on appelle système ouvert et système fermé en datation : tant que des échanges d'éléments ont lieu entre un échantillon et son environnement, le système est ouvert. Quand ces échanges cessent, le système se ferme. La datation radioactive donne l'âge de fermeture d'un système. Ici il s'agit d'expliquer en quoi les êtres vivants constituent des systèmes ouverts tout au long de leur vie.

Ainsi, par photosynthèse puis par transfert du carbone organique au sein des chaînes alimentaires, le 14C est intégré aux molécules organiques des êtres vivants. Il s'agit d'un échange permanent tout au long de la vie des êtres vivants. Lorsqu'un être vivant meurt, le « système se ferme » : le 14C contenu dans les tissus organiques se désintègre progressivement provoquant la baisse du rapport 14C/12C (car le 12C est stable). On connaît le rapport 12C/14C initial, puisque c'est le même que celui de l'atmosphère actuelle. On connaît l'équation de courbe de désintégration du 14C. En mesurant la teneur en 14C et en 12C des restes organiques, on en déduit l'âge de l'échantillon. La durée de demi-vie du 14C est courte : autour de 5 500 ans (voir le graphique), ainsi au bout de 50 000 ans, il reste trop peu de 14C pour pouvoir dater l'échantillon.

4. La datation de peinture donne un âge compris entre 8 400 ans et 9 500 ans.

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L'interprétation de la peinture fait l'objet d'une controverse : comme aucun élément ne permet de lui attribuer une échelle, le dessin tacheté orange pourrait représenter une peau de léopard.

Cependant il paraît plus logique qu'il s'agisse d'un volcan en éruption explosive surplombant la ville. Les motifs géométriques représenteraient alors des habitations, et les traits au-dessus un panache et des blocs projetés très haut. Enfin on sait qu'il existe un volcan à deux sommets à une centaine de kilomètres, ce qui n'est pas si loin quand on considère un volcan explosif dont le panache s'élève à plusieurs dizaines de kilomètres de hauteur.

Trois cristaux de zircon des roches d'un des sommets ont été datés : zircon 1 : 8 200 à 10 700 ans ; zircon 2 : 8 100 à 9 100 ans ; zircon 3 : 7 300 à 9 000 ans.

On constate que ces fourchettes d'âge recoupent l'âge de la peinture. Ainsi il paraît très probable que les peintres de Çatalhöyük, ont assisté à l'éruption du volcan Hasan Dagi et l'ont représentée, il y a environ 9 000 ans.

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