Les media annoncent une avancée considérable de la méthode de datation par le carbone 14


Le quotidien Le Figaro (édition du 19 octobre 2012, page 13, rubrique Sciences) et le mensuel Sciences et Avenir (N°790 de décembre 2012, page 21) viennent chacun de consacrer un article reprenant les conclusions d’une équipe de chercheurs de l’université d’Oxford (Royaume-Uni).

Selon cette étude publiée ce 19 octobre dans la revue américaine Science par Christopher Bronk Ramsey et ses collègues, le champ d’application de la méthode de datation par le carbone 14 d’objets anciens contenant des matériaux organiques (os et végétaux fos­siles, notamment) serait étendu de quelques 26.000 ans d’ancienneté actuellement pour ce type d’échantillons, jusqu’à désormais 52.800 ans.

Voici des reproductions de ces deux articles de presse:

L'article du Figaro du 19 octobre 2012
L’article du Figaro du 19 octobre 2012
L'article de Science et Avenir
L’article de Science et Avenir

 La lecture de ces deux articles ne peut guère vous apporter davantage qu’une simple information. C’était d’ailleurs là le but unique de ces courtes publications. Mais au delà de la sphère des gens qui se sont déjà penchés en détail sur les principes de ce procédé de datation, je doute fort que quiconque non familier avec cette technique puisse avoir augmenté beaucoup sa compréhension du sujet à la lecture des deux brefs textes cités ci-dessus.

Et pourtant, pratiquement tout le monde a plus ou moins entendu parler de la détermination de l’âge du suaire de Turin par la méthode du carbone 14, ou encore des estimations de la date des peintures rupestres de la grotte Chauvet, découverte à Pont-d’Arc en 1994.

Salle du fond de la grotte Chauvet. Le panneau des Bisons (Copyright Jean Clottes)
Salle du fond de la grotte Chauvet. Le panneau des Bisons (Copyright Jean Clottes)

C’est pourquoi j’ai cru bon de rédiger à mon tour cet article qui devrait être tout-à-fait conforme à l’idée que je me fais du but poursuivi par ce blog. Je dois vous dire que je n’ai pas compris grand chose à ma première lecture des deux informations données par Le Figaro puis par Sciences et Avenir. J’ai donc voulu comprendre, et j’ai cherché. J’ai lu. Et maintenant j’éprouve le besoin de partager avec vous ce que j’ai compris. C’est ce que je vais faire maintenant.

La première question à se poser est: « Qu’est-ce que c’est que le carbone 14 ? ». J’y ai déjà répondu dans une des pages de ce blog consacrée aux atomes.

Revisiter cette page.

 Après avoir lu cette page sur les atomes, vous savez maintenant beaucoup de choses qui étaient en filigrane dans les articles cités, mais non explicitées, ou insuffisamment. Quelles sont ces connaissances ?

1. Toute la matière qui nous entoure est faite d’atomes, minuscules particules fabriquées dans notre étoile, le Soleil, et constituées chacune d’un faible nombre de briques élémentaires distinctes:

  • des protons et des neutrons qui vont, sous la forme de noyaux atomiques, définir la caractéristique physique que l’on nomme la masse de la matière;
  • puis des électrons, particules presque complètement dénuées de masse, mais porteuses d’une seconde caractéristique physique fondamentale qu’on appelle la charge électrique. C’est le nombre de ces électrons dans chaque atome qui va fixer le comportement chimique de la matière. On note ce nombre Z, et on l’appelle le Numéro atomique. Il varie de 1 pour l’atome le plus léger, l’hydrogène, à 92 pour l’atome naturel (c-à-d formé dans le soleil) le plus lourd, l’uranium.

2. Le rôle des protons, porteurs de la même charge électrique que les électrons, mais antagoniste, est d’assurer par leur présence la neutralité électrique des atomes. Sinon, nous ne serions pas là.

3. Le rôle des neutrons, électriquement neutres comme leur nom l’indique, est uniquement d’apporter de la masse, et donc de l’énergie potentielle aux atomes. La masse d’un atome est représentée conventionnellement par un nombre A qu’on appelle le Nombre de masse. C’est la masse réelle de l’atome, quantité très petite qu’on peut cependant déterminer dans un spectromètre de masse, multipliée par un nombre énorme appelé Nombre d’Avogadro, et égal à 6,023 . 10 puissance 23

4. Le nombre de neutrons présents dans le noyau d’un atome déterminé peut légèrement varier, le nombre de protons et donc d’électrons demeurant constant. On dit alors que l’on a affaire à des isotopes d’un même corps pur chimique.

C’est ainsi que le carbone, de numéro atomique Z = 6, est constitué d’atomes dont le noyau comporte toujours 6 protons, et généralement 6 neutrons, mais pas toujours, seulement dans 98,9 % des cas. La masse atomique d’un tel carbone sera alors A = 12 et on parlera de C12, ou carbone « commun ».

Dans 1,1% des cas, l’atome de carbone comporte 13 neutrons au lieu de 12. C’est alors du C13, de masse atomique A = 13. Ce carbone rare est néanmoins aussi stable que l’isotope « commun » C12. C’est pourquoi, au total, la masse atomique du carbone n’est pas égale à 12 mais à 12,0107.

5. Enfin, depuis 1946, le physicien américain Willard Libby, prix Nobel de chimie en 1960, a montré expérimentalement qu’il existait une production, continue quoique extrêmement faible, d’un isotope instable C14 dont le noyau contient les 6 protons nécessaires, mais 8 neutrons. Ce sont une partie des neutrons créés dans la haute atmosphère par les rayons cosmiques qui interagissent avec l’azote de l’air pour former un isotope radioactif du carbone selon la réaction:

production N14

La proportion de ce carbone 14 dans l’atmosphère est extrêmement faible, de l’ordre de 0,002 %. De plus, le noyau ainsi alourdi du C14 est instable. Spontanément, les atomes de cet isotope vont disparaître pour laisser apparaître de nouveaux atomes stables. Il s’agit d’une transmutation radioactive. Le carbone 14 se transmute en azote en émettant un rayonnement β (un électron), selon la réaction nucléaire:

transmutation 

On appelle période de demi-vie le temps au bout duquel la masse initiale d’un tel élément radioactif a diminué de moitié. Cette période est une constante pour chaque élément radioactif. On assiste donc à une décroissance exponentielle. Dans le cas du carbone 14, elle est très lente, puisque sa période est de 5570 ans.

6. Il n’y a donc plus aucune trace des atomes de carbone 14 qui ont pu être formés dans le Soleil. Tous ceux que l’on peut identifier aujourd’hui dans un spectromètre de masse proviennent nécessairement des réactions nucléaires avec l’azote de la haute atmosphère s’étant produites il y a moins d’une dizaine de périodes, disons moins de 50.000 ans. Au delà dans le temps passé, le carbone 14 qui y aura été formé a désormais disparu par transmutations sans plus laisser aucune trace.

7.  Pour utiliser la décroissance de la teneur en carbone 14 d’un échantillon de matière recueilli dans la nature, on a commencé par observer que le rapport des teneurs C14/C12  dans un échantillon d’un organisme carboné vivant demeurait sensiblement constant pendant la vie de cet organisme. Le C14 des échantillons qui font l’objet de la datation provient du gaz carbonique atmosphérique: les plantes photosynthétiques l’absorbent directement et le transmettent aux animaux par la chaîne alimentaire. C’est seulement la mort de l’organisme végétal ou animal qui va interrompre ce renouvellement, déclenchant ainsi le chronomètre constitué par le C14 captif dans l’échantillon. C’est la date T0 recherchée. Connaissant alors la loi de décroissance de la teneur en C14 en fonction du temps, il ne reste qu’à déterminer la teneur résiduelle en C14 de l’échantillon à la date T, qui ne dépend que de la teneur initiale en C14 à la date T0 et de l’intervalle T – T0.

Tout ceci est très beau, très simple, trop beau même. Car comment peut-on être certain que dans les temps anciens la teneur en C14 de l’organisme alors vivant que l’on étudie si longtemps après, était bien la même que s’il était encore vivant aujourd’hui,  à la date T ?

L’inventeur de la méthode de datation, Willard Libby, s’est toujours battu contre l’idée d’un biais important. Et on sait maintenant depuis quelques années qu’il avait tort. Car ce biais existe bel et bien, comme je vais vous le montrer maintenant, grâce à une publication de chercheurs français dans le numére de la revue « Pour la Science » de janvier-mars 2004. La figure ci-dessous est extraite de la page 57 de cette revue:

Diagramme extrait de l'article intitulé "Des dates fiables pour les 50 000 dernières années", par Edouard BARD et all, Collège de France
Diagramme extrait de l’article intitulé « Des dates fiables pour les 50 000 dernières années », par Edouard BARD et all, Collège de France, in ‘Pour la Science’, janvier – mars 2004

Le biais dont nous parlons est l’écart qui va exister entre l’âge réel d’un échantillon fossile et l’âge estimé qui sera fourni par la méthode de datation au carbone 14. La publication du Collège de France explique que ce biais s’introduit inéluctablement parce qu’au cours des millénaires, la teneur en carbone 14 de l’atmosphère a fluctué pour différentes raisons:

  • Variations de l’intensité du champ magnétique terrestre, et donc du flux de rayons cosmiques responsables de la formation du carbone 14;
  • Transferts à long terme entre les différents réservoirs contenant du carbone, essentiellement les océans et la biosphère, entrainant un retard de l’ordre du millier d’années des variations de la teneur de l’atmosphère en C14 par rapport à son taux de production.
  • Modifications dans la circulation océanique influant sur les quantités de C14 dans l’atmosphère.

C’est pourquoi sur le diagramme ci-dessus, il faut tout d’abord repérer la droite en pointillés oranges partant en diagonale du point de coordonnées (x = 23000 ans = y = 23000 ans) pour aboutir au point (x = 47000 ans = y = 47000 ans). C’est le lieu théorique des résultats de datation qui seraient exempts de biais. Vous voyez qu’il n’existe aucun résultat sans biais. Tous les résultats rapportés sur ce diagramme (nous allons dire dans un instant de quels résultats il s’agit) démontrent l’existence d’un biais toujours dans le même sens. L’âge déterminé par l’analyse du carbone 14 est systématiquement sous-estimé, si l’on en croît les datations présentées et effectuées par une autre méthode.

Quelles sont donc ces méthodes alternatives ?

Le diagramme rapporte des résultats de cinq études d’échantillons datés à la fois au carbone 14 et par une méthode différente:

1. Les points rouges

Les données présentées proviennent des analyses de coraux de la Barbade, de Mururoa et de Nouvelle-Guinée.

Dans les coraux, le chronomètre est remis à zéro lors de la formation du corail qui intègre dans son squelette des traces d’uranium (environ trois parties par million) à partir de l’eau de mer. En mesurant dans un accélérateur de particules la quantité de thorium 230 produite par l’uranium 234, on détermine le temps écoulé depuis la formation du carbonate. Aujourd’hui, à 95 pour cent de confiance, les incertitudes sont de l’ordre de 30 ans pour des échantillons d’environ 10 000 ans et de 1 000 ans pour des prélèvements de 100 000 ans.

2. La courbe verte

Les données présentées proviennent des analyses des dépôts annuels de sédiments (on les appelle des varves) qui se superposent au fond du lac Suigetsu, au Japon, celui-là même qui fait l’objet de l’étude britannique publiée le mois dernier dans la revue américaine Science. Ce lac se caractérise par le parfait calme de ses eaux et le fait que ses fonds sont privés d’oxygène. Les carottes prélevées dans les sédiments permettent alors d’obtenir une courbe de calibration d’une précision satisfaisante et d’une dispersion faible des données.

3. La courbe bleu fonçé

Les données présentées proviennent des analyses de concrétions calcaires (on les appelle des spéléothèmes) dans des grottes submergées aux Bahamas. La  courbe de calibration présentée diffère notablement de la précédente. L’une d’elles, au moins, est inexacte.

4. Les points noirs

Les données présentées proviennent de l’analyse d’une carotte sédimentaire profonde collectée au large de la marge ibérique, c’est-à-dire au delà du talus continental. Le site de prélèvement de cette carotte a été choisi car il est suffisamment proche du Groenland pour enregistrer les mêmes évènements climatiques: les variations de températures enregistrées dans ces sédiments marins correspondent bien à celles des carottes de glace du Groenland. Les datations très précises des secondes bénéficient ainsi à celles de la première. Quant à la datation par le carbone 14, elle a été opérée sur les squelettes fossiles d’un foraminifère, globigerina bulloïdes, abondant dans la carotte de sédiment profond prélevée. 

5. La courbe bleu clair

Les données présentées proviennent de l’analyse par les océanographes de Woods Hole (USA) de carottes sédimentaires collectées dans le bassin tropical de Cariaco, sur la côte du Venezuela.

Alors qu’entre 33 000 et 41 000 ans calendaires, les courbes 2. vertes (varves du lac Suigetsu) et  3. bleu foncé (spéléothèmes des Banamas) montrent un désaccord flegrant, de l’ordre de 5 000 années, les deux dernières séries de résultats, 4. points noirs (carotte profonde de la marge ibérique) et 5. courbe bleu clair (carottes sédimentaires de Cariaco) définissent une courbe de calibration qui passe entre les deux courbes 2. et 3. en désaccord.

Influence des variations de l’intensité du champ magnétique terrestre

Les données de la marge ibérique ainsi que celles des coraux indiquent que la teneur atmosphérique en carbone 14 a augmenté de 70 pour cent jusqu’à atteindre un maximum entre 39 000 et 41 000 ans calendaires. Une telle augmentation peut s’expliquer par la diminution régulière de l’intensité du champ magnétique terrestre, enregistrée par ailleurs dans les roches volcaniques et sédimentaires. Le maximum d’abondance du carbone 14, enregistré autour de 40 000 ans calendaires,pourrait correspondre donc à l’excursion magnétique de Laschamp, pendant laquelle le champ magnétique a brutalement chuté.

Qu’est-ce que l’excursion magnétique de Laschamp ?

Au risque de lasser mes lecteurs, je dois avouer qu’on n’en a jamais fini, lorsque l’on souhaite ardemment tout comprendre ! Qu’est-ce donc que l’excursion magnétique de Laschamp ? Voici une réponse:

Extrait d’un dossier de presse: « Du magnétisme naturel au magnétisme en laboratoire »

Source: CEA/SACLAY, 29/09/2007

Le sédiment qui se dépose dans le fond océanique contient des minéraux magnétiques dont le plus connu et le plus facile à détecter est la magnétite. Ces minéraux permettent de connaître le champ géomagnétique qui était présent au moment et sur le site où le sédiment s’est déposé.

Au cours des campagnes océanographiques, les chercheurs du LSCE ont effectué des carottages pour étudier, notamment, les changements climatiques dans le passé. Ces mêmes carottes permettent également de retracer les variations passées du champ géomagnétique. Lorsqu’un sédiment répond à un ensemble de critères, il est possible d’en déduire le comportement du champ à l’endroit précis du prélèvement. Si l’on dispose de tels sédiments couvrant le même intervalle de temps en des endroits géographiquement séparés, on obtient une vue d’ensemble des phénomènes géomagnétiques globaux, et notamment d’une inversion (la direction du champ magnétique s’inverse totalement ; les pôles sont inversés)  ou d’une excursion (le champ magnétique s’inverse puis revient dans la direction initiale).

Parmi les excursions les plus récentes de la période de Bruhnes, celle de Laschamp et celle de l’Iceland Basin sont certainement les mieux documentées. L’excursion de Laschamp tient son nom d’un village situé au sud du Puy-de-Dôme, construit sur une coulée de lave dans laquelle a été mesurée, il y a une vingtaine d’années, une direction anormale du champ magnétique terrestre associée à une faible intensité. Cette lave, datée à l’origine autour de 35 000 – 45 000 ans, a été re-datée récemment avec les techniques radiométriques Potassium/Argon du LSCE à 40 400 ± 2 000 ans. Cette excursion a également été reconnue dans des séries sédimentaires marines et continentales.

Influence des modifications dans la circulation océanique

Dans l’océan, le carbone 14 atmosphérique diffuse lentement par rapport à sa période de décroissance radioactive, ainsi les eaux sont d’autant plus « vieilles », c’est-à-dire pauvres en carbone 14, qu’elles sont éloignées de la surface. La circulation des masses d’eau rajeunit donc l’océan en mélangeant l’eau de surface « jeune » avec des eaux plus profondes et plus vieilles. Or différents marqueurs géochimiques, telles la composition isotopique et chimique du carbonate des foraminifères, indiquent que cette circulation océanique a notablement ralenti à certaines périodes, réduisant ainsi les apports de carbone 14 dans l’océan profond. La quantité de carbone 14 a donc diminué dans les eaux profondes, mais augmenté dans l’atmosphère. Une telle augmentation du rapport 14C/12C atmosphérique perturbe la méthode radiocarbone en rajeunissant les âges carbone 14 de cette époque.

L’étude des carottes sédimentaires n’en est qu’à ses débuts. En effet, plusieurs carottes de sédiments marins profonds ont été récemment collectées à proximité des premiers forages de la marge ibérique et du bassin de Cariaco. Ces nouveaux enregistrements étofferont cette calibration préliminaire. De plus, la nouvelle carotte de glace, nommée NorthGRIP, récemment forée au Groenland, améliorera sans doute la précision de l’échelle de temps absolue sur laquelle est fondée cette méthode stratigraphique. Au final, une courbe de calibration complète remontant jusqu’à 50 000 années calendaires sera vraisemblablement présentée et ratifiée lors de la prochaine conférence radiocarbone, en 2006 à Oxford.

Voilà ce qu’écrivait le Professeur Bard en 2004 dans cet article publié par la revue « Pour la Science ». Mais depuis cette conférence de 2006 à Oxford, deux autres conférences internationales similaires se sont tenues:

La 20ème en 2009 à Hawaï:

Hawaii 20

et la 21ème en 2012 à Paris:

Paris 21

et le Professeur Bard est toujours sur la brèche pour annoncer et promettre bientôt des progrès décisifs dans la détermination de l’âge réel des échantillons fossiles d’organismes carbonés dont la quête se poursuit inlassablement dans la nature. Mais les investigations sont de plus en plus complexes, et les progrès qui se réalisent indéniables certes, mais bien lents.

Voici le programme de la session Calibration qui était présidée en juillet dernier à Paris par le professeur Bard:

Présentation de la session Calibration de la Conférence Radiocarbone de Paris, en juillet 2012
Présentation de la session Calibration de la Conférence Radiocarbone de Paris, en juillet 2012

Voilà ! Je n’irai pas plus loin dans le partage avec vous, aujourd’hui du moins. Vous avez sans doute compris que les avancées de la Science, c’est très souvent long et complexe. Mais les connaissances avancent cependant sans relâche, petite pierre après petite pierre…

Alors, je vous donne rendez-vous dans « Partager pour comprendre »  pour d’autres aventures !

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