Les comparaisons entre l'abondance observée de certains isotopes radioactifs naturels et leurs produits de désintégration, en utilisant les taux de désintégration connus, peuvent être utilisées pour mesurer des échelles de temps allant d'avant la naissance de la Terre jusqu'à nos jours. Par exemple, la mesure du rapport des isotopes stables et radioactifs dans les météorites peut nous donner des informations sur leur histoire et leur provenance.

Les techniques de datation radiométrique ont été développées par Bertram Boltwood en 1907, quand il fut le premier à établir l'âge des roches en mesurant les produits de désintégration de l'uranium en plomb.

Aujourd'hui, la datation radiométrique est considérée comme une méthode de datation très fiable et la principale source d'information sur l'âge absolu des roches et d'autres caractéristiques géologiques, y compris l'âge de la Terre elle-même. Les techniques peuvent être étendues pour dater une large gamme de matériaux d'origine humaine. Parce que les éléments radioactifs ont des demi-vies variées, il existe de nombreuses méthodes différentes applicables à différentes échelles de temps. Parmi les techniques les plus connues figurent la datation par le carbone radioactif, la datation uranium-plomb et la datation potassium-argon.

Le carbone est le principal élément constitutif des composés organiques et constitue donc un élément essentiel de la vie sur Terre. Le carbone naturel contient deux isotopes stables ¹²C (98,9 %) et ¹³C (1,1 %), ainsi qu'une infime quantité du radioisotope ¹⁴C (1,2 x 10^-12 %) avec une demi-vie de 5730 ans. Le ¹⁴C est produit par les rayons cosmiques dans l'atmosphère puis distribué dans la nature (93 % dans l'océan, 5 % dans la biosphère et 2 % dans l'atmosphère).

Le carbone (c'est-à-dire les trois isotopes) est absorbé par les organismes vivants et continuellement renouvelé au cours de leur cycle de vie. Cependant, lorsqu'un organisme meurt, ce processus s'arrête. Le ¹⁴C instable se désintègre en ¹⁴N par désintégration bêta (émission d'électron), et la teneur en ¹⁴C diminue exponentiellement avec le temps. En mesurant la quantité de ¹⁴C non désintégré à un moment donné, on peut déterminer depuis combien de temps l'organisme est mort.

La datation par le carbone radioactif a été développée dans les années 1950, Willard Libby recevant le prix Nobel de chimie en 1960 pour l'utilisation du ¹⁴C pour déterminer l'âge en archéologie, géologie, géophysique et dans de nombreuses autres branches de la science.

Un spectromètre de masse couplé à un accélérateur est utilisé pour dater des échantillons ne contenant que quelques milligrammes de carbone en mesurant le rapport ¹⁴C/¹²C (Image reproduite avec l'aimable autorisation de J. Forest, CNRS Photothèque).

La datation par le carbone radioactif a cependant ses limites. Le carbone n'est absorbé que par les organismes vivants (ou plutôt les choses qui étaient vivantes à un moment donné) comme le bois ou les fossiles, il ne peut donc pas être utilisé pour dater la pierre ou la poterie par exemple, et la méthode n'est précise que pour des objets de moins de 60 000 ans environ.

Pendant de nombreuses années, on a supposé que la teneur en ¹⁴C dans l'atmosphère était constante. Nous savons maintenant que les champs magnétiques de la Terre et du Soleil changent avec le temps. Cela signifie que le flux de rayons cosmiques frappant l'atmosphère varie, et donc le taux de production de ¹⁴C également. Il est donc nécessaire de calibrer les dates ¹⁴C selon d'autres techniques. L'une de ces techniques est la dendrochronologie, ou datation par les cernes des arbres.

Variations des cernes : 1 - première année de croissance, 2 - saison des pluies (cerne plus épais), 3 - saison sèche (cerne plus étroit), et 4 - une cicatrice d'un feu de forêt.

La dendrochronologie consiste à obtenir une coupe horizontale du tronc principal d'un arbre et à analyser les cernes visibles causés par la croissance naturelle de la plante. Ces cernes résultent du changement de vitesse de croissance au fil des saisons de l'année, chaque cerne marquant généralement le passage d'une année dans la vie de l'arbre. Cette technique fonctionne mieux dans les climats tempérés où les saisons diffèrent de manière plus marquée, et, évidemment, on ne peut remonter que de quelques centaines d'années car les très vieux arbres sont rares.

De nombreuses peintures rupestres préhistoriques datant de jusqu'à 30 000 ans ont été étudiées à l'aide de la datation par le carbone radioactif, car les matériaux utilisés sont pour la plupart d'origine organique.

Peintures rupestres datées au ¹⁴C. Image reproduite avec l'aimable autorisation de N. Aujoulat (CNP-Ministère de la culture et de la communication).

La datation par le carbone radioactif peut même être utilisée pour dater des découvertes archéologiques plus insolites. En septembre 1991, deux randonneurs ont découvert le corps d'un homme à moitié sorti de la glace dans une région montagneuse des Alpes. L'homme des glaces, surnommé plus tard Ötzi d'après la chaîne de montagnes où il a été trouvé, pourrait être mort il y a plus de 4000 ans.

Des mesures détaillées du ¹⁴C ont été effectuées indépendamment par quatre instituts différents sur des os et des tissus d'Ötzi (à Innsbruck, Bolzano, Zurich et Oxford), sur l'équipement et les matériaux apparemment appartenant à l'homme des glaces (à Uppsala, Gif/Yvette et Vienne) et sur les sédiments recueillis sur le site de la découverte (à Vienne). L'âge non calibré est de 4550 ans. Traduit en âge calibré à l'aide des courbes de la technique des cernes d'arbres, Ötzi semble avoir environ 650 ans de plus. Ainsi Ötzi est décédé entre 3350 et 3100 av. J.-C.

L'analyse du cadavre a révélé des détails étonnants sur sa vie. L'analyse des céréales trouvées dans les intestins ainsi que des minéraux dans les cheveux a conduit à la conclusion qu'Ötzi venait du Tyrol du Sud lorsqu'il a été piégé par la neige et la glace. Il avait mangé de la bouillie d'engrain (un type de blé), des légumes et de la viande peu avant sa mort. De plus, en analysant les isotopes du carbone et de l'oxygène dans les dents et les os de l'homme des glaces, les chercheurs ont pu différencier le pays de sa petite enfance de celui où il vivait plus tard. Nous savons également qu'il s'agissait d'un homme de 45 ans avec des cheveux sombres et ondulés descendant aux épaules et des yeux bleus. Cependant, des analyses génomiques plus récentes suggèrent qu'Ötzi était originaire de Sardaigne !

La technique des cernes est utile pour calibrer la méthode ¹⁴C jusqu'à environ 11 000 ans. Pour les âges compris entre 10 000 et 30 000 ans, la technique de calibration utilisée est la datation uranium-thorium des sédiments lacustres et des coraux.

Au cours de leur vie, les coraux absorbent l'uranium (avec une demi-vie de 245,5 ans) présent dans l'eau de mer, mais ils n'absorbent pas le thorium (²³⁰Th). Après la mort des coraux, l'uranium se désintègre en ²³⁰Th, qui s'accumule dans leur squelette. La mesure du rapport U/Th peut donner une indication de l'âge du corail.

Cependant, le thorium est également radioactif et se désintègre (demi-vie 75 380 ans) en d'autres éléments via une longue chaîne de désintégration, se terminant finalement par du plomb, ce qui rend le processus de datation un peu plus compliqué. La méthode U-Th peut être utilisée pour dater des objets dont l'âge est compris entre 10 000 et 500 000 ans.

Cependant, la méthode a quelques limites. Des études récentes ont montré que le plomb peut être produit par capture de neutrons et peut ne pas provenir de la désintégration de l'uranium. Cela changerait les résultats de la datation.

Corail utilisé comme référence pour la méthode de datation U-Th. Image reproduite avec l'aimable autorisation de J. Lecomte (CNRS Photothèque).

La thermoluminescence a été découverte par Sir Boyle en 1663. De nombreux matériaux cristallins comme certains minéraux ont cette propriété d'émettre de la lumière lorsqu'ils sont chauffés. Trois cents ans après cette découverte, les scientifiques ont appris à expliquer cet effet. Lorsque le matériau est exposé à un rayonnement de haute énergie, les électrons du matériau passent dans un état excité. Dans certains minéraux, cette énergie est ensuite piégée à l'intérieur en raison de défauts dans le réseau cristallin. Mais lorsque le cristal est chauffé, les électrons peuvent retomber dans les couches d'énergie inférieure, émettant un photon à chaque transition.

Pierre et Marie Curie ont remarqué que certains contenants en verre dans leur laboratoire prenaient une couleur intense quand ils étaient frappés par des rayonnements, et que ces couleurs disparaissaient avec simultanément une émission de lumière quand le matériau est chauffé.

Il a été démontré que l'intensité de la lumière émise est directement proportionnelle au rayonnement que le minéral a reçu. Ainsi, la thermoluminescence peut être utilisée pour dater des objets qui ont été exposés aux rayons cosmiques ou au rayonnement du sol, puisque les doses dépendent de l'âge de l'objet.

Cette technique a de nombreuses applications - comme la datation du silex chauffé, de la poterie et de la céramique des périodes préhistoriques. Les plus anciens artefacts pouvant être datés par thermoluminescence ont environ 250 000 ans.

Ci-dessus : le rayonnement du radium donne une teinte bleue à un récipient en verre du laboratoire de Pierre et Marie Curie. Image reproduite avec l'aimable autorisation de C. Delhaye (CNRS Photothèque).

À gauche : poterie datée par thermoluminescence à 7 000-10 000 ans. Image reproduite avec l'aimable autorisation de A. Chênè (CNRS Photothèque). Ci-dessous : Squelettes d'une femme et d'un enfant datés par thermoluminescence à 92 000 ans. Image reproduite avec l'aimable autorisation de CEA – CNRS – CFR.

Lorsque le ⁴⁰K se désintègre en ⁴⁰Ar à l'intérieur de la roche, le ⁴⁰Ar gazeux reste à l'intérieur de la roche et ne peut pas s'échapper à moins que le minéral ne soit chauffé. La quantité d'Ar dans un morceau de roche révèle donc le temps écoulé depuis son dernier refroidissement.

La méthode K-Ar est bien adaptée à l'étude de l'activité volcanique, et compte tenu du fait que le ⁴⁰K a une demi-vie de 1,3 milliard d'années, la méthode est utilisée en géochronologie pour dater des périodes allant de 10⁶ à 10⁹ ans dans le passé. Le ⁴⁰K radioactif est courant dans les micas, les feldspaths et les hornblendes, qui ont des températures de fermeture assez basses (de 125 °C pour le mica à 450 °C pour la hornblende).

La méthode K-Ar a été utilisée pour déterminer la succession des périodes géologiques sur Terre, fixer l'âge de la Terre à environ 4,5 milliards d'années et identifier les débuts de l'humanité (en Afrique de l'Est) à environ 5 millions d'années. La méthode est également employée pour mesurer le taux d'inversion des pôles magnétiques de la Terre.

Le ⁸⁷Rb se désintègre en ⁸⁷Sr avec une demi-vie d'environ 48 milliards d'années. Les autres isotopes du Sr (A = 84, 86, 88) sont stables, de sorte que le strontium est un traceur utile pour l'âge et la teneur en rubidium dans les roches, et a également été utilisé pour dater des échantillons lunaires. Le rapport ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr varie de 0,703 dans les jeunes roches à 0,750 dans les plus anciennes. Avec la méthode ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr, il est possible de dater des matériaux âgés de 10 millions à 10 milliards d'années.

Une histoire intéressante est la façon dont la datation Rb-Sr a contribué à déterminer l'origine du roi Yax K'uk Mo, qui a fondé la dynastie qui a gouverné la ville maya de Copán (actuellement au Honduras) pendant 400 ans.

Au VIIIe siècle, un modeste village en Mésoamérique du nom de Copán (situé dans l'actuel Honduras) est devenu l'une des villes mayas les plus importantes. Cette montée en importance est fortement attribuée à Yax K'uk Mo, qui est arrivé à Copán en l'an 427.

À l'époque, Teotihuacan était à son apogée, la plus grande ville de la Méso-amérique pré-colombienne dans la vallée du Mexique. Des villes à des centaines de kilomètres de là copiaient le style de ses temples et adoptaient les mêmes dieux. Les artisans de Copán représentaient Yax K'uk Mo avec des attributs de Teotihuacan, indiquant apparemment les origines et l'association du roi avec Teotihuacan. Les origines de Yax K' uk Mo sont restées vagues jusqu'à ce que des mesures des rapports isotopiques ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr et ¹⁸O / ¹⁶O dans les dents et les os de ses restes à Copán soient effectuées.

La péninsule du Yucatan où le roi Yax K'uk Mo a vécu et est mort est composée principalement de sédiments marins. Elle montre une variation régulière du rapport ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr (entre 0,7049 et 0,7089). La vallée du Mexique est composée de roches volcaniques, et là la variation est plus grande, tandis qu'à Teotihuacan, la valeur est plus faible (0,7046). L'émail dentaire fournit un revêtement durable pour la dentine en dessous. Les deux contiennent du calcium mais ils se sont formés de manière très différente. L'émail se minéralise quand la dent pousse dans l'enfance, la dentine comme les os se forme continuellement pendant la vie. Le strontium est chimiquement proche du calcium et peut le remplacer dans l'émail et la dentine des dents et dans les os. Le strontium est absorbé à partir des aliments, et le rapport ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr reflètera la nature du sol local. Ainsi, l'émail dentaire d'une personne porte la signature isotopique de la nourriture et de l'eau du pays de sa petite enfance, les rapports isotopiques dans la dentine et les os reflétant ses séjours ultérieurs. À 0,7084, le rapport ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr dans l'émail prélevé sur une dent de Yax K'uk Mo correspondait à la valeur à Tikal, au nord de Copán.

À droite : figurine en céramique du roi Yax K'uk Mo représenté avec les attributs de Teotihuacan (Copyright American Institute of Physics 2004).

À gauche : mesures du rapport ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr pour diverses villes pré-colombiennes au Mexique et sur la péninsule du Yucatan (Copyright American Institute of Physics 2004).

Le rapport isotopique ¹⁸O / ¹⁶O peut fournir un autre indicateur de localisation. L'oxygène entre dans le corps par l'approvisionnement en eau, et la pluie des nuages proches de l'océan est plus riche en ¹⁸O que la pluie des nuages qui ont voyagé loin à l'intérieur des terres.

L'analyse isotopique des rapports strontium et oxygène dans l'émail dentaire et les os du roi Yax K'uk Mo n'a pas soutenu une origine à Teotihuacan. Au lieu de cela, il a été conclu qu'il avait passé ses premières années près de Tikal et s'est déplacé plus tard à Copán.