La datation des roches et des fossiles

La datation des roches et des fossiles qu’elle contient est la plus grosse affaire de la géologie et de la paléontologie. Ce n’est pas du tout une tâche facile mais des milliers de géologues s’y sont employés depuis le XIXe siècle. Leurs données ont été rassemblées, comparées et forme un ensemble cohérent. Le travail de synthèse est à présent effectué par la Commission Internationale de Stratigraphie (www.stratigraphy.org), qui publie des mises à jour régulières.

Sédimentation et chronologie relative

Les géologues ont d’abord dû se contenter d’une datation relative basée sur les roches sédimentaires. Elles sont essentiellement issues de l’érosion des continents, qui produit des galets, du sable et des argiles, et de l’activité d’organismes aquatiques produisant du calcaire. Des conditions climatiques favorables entraînent aussi la précipitation de halite (chlorure de sodium, le sel ordinaire) ou de gypse (sulfate de calcium hydraté). Ces sédiments se déposent en couches, appelées aussi strates, homogènes. Ils sont cimentés par un processus appelé la diagenèse. Il est évident qu’une strate située sur une autre lui est postérieure. C’est le principe de superposition. Ainsi, plus on s’enfonce dans de telles roches, plus on remonte le temps. La modification des strates est due à des changements géographiques ou climatiques, ou encore à l’évolution de la vie, les calcaires étaient souvent des restes d’organismes vivants.

Il faut faire attention au fait que des orogenèses (formation de montagnes) peuvent plisser les strates, jusqu’à les retourner. Les strates les plus anciennes peuvent se retrouver au-dessus des plus jeunes. Au moins, on sait que ces orogenèses sont postérieures à la sédimentation. Elles peuvent aussi failler les strates ou provoquer des intrusions de magmas qui se solidifient en plutons ou filons de roches magmatiques. Le principe de recoupement affirme que les failles ou intrusions sont postérieures à la formation des roches sédimentaires.

Selon un troisième principe, dit de continuité, deux strates ayant les mêmes caractéristiques sont contemporaines, même si elles sont éloignées. L’inverse n’est pas vrai : deux strates dissemblables peuvent très bien être contemporaines, les conditions géographiques dans lesquelles elles se sont formées n’étant pas les mêmes. Le principe de l’identité paléontologique stipule que des strates comportant les mêmes fossiles sont contemporaines. On utilise des fossiles stratigraphiques, provenant d’espèces ayant évolué assez vite et ayant eu une vaste répartition géographique. L’évolution des êtres vivants est irréversible : des espèces qui ont existé dans le passé et ont disparu ne réapparaissent jamais.

La synthèse de toutes ces données a permis d’établir une chronologie relative où le temps est découpé en éons, ères, périodes, époques et âges. Ainsi, l’Albien est antérieur au Cénomanien. Ces deux âges appartiennent respectivement au Crétacé inférieur et au Crétacé supérieur, qui sont des époques. Elles-mêmes sont des découpages du Crétacé, qui est une période. Le Crétacé appartient au Mésozoïque, qui est une ère : c’est l’ère secondaire. Il est postérieur au Jurassique et antérieur au Paléogène, qui est une période du Cénozoïque. Les âges correspondent en sédimentologie à des étages.

Les stratotypes donnent leurs noms aux étages. Ce sont des affleurements aux caractéristiques remarquables, souvent choisis dans des bassins sédimentaires, qui servent de référence. Par exemple, le Cénomanien doit son nom à la ville du Mans (Cénomanus). Il s’agit de sable cimenté en grès. Cet âge commence avec l’apparition d’une espèce de Foraminifère, un animal unicellulaire à coquille de calcite, et se termine avec l’apparition d’une espèce d’Ammonite, un mollusque céphalopode à coquille en spirale. Si le grès caractéristique du Cénomanien n’a existé que dans la région du Mans, les deux animaux cités étaient bien plus répandus. Le caractère universel prêté à ce découpage du temps pose néanmoins quelques problèmes. Ainsi, le Carbonifère, période du Paléozoïque caractérisée par une production importante de charbon, est divisé en Mississipien e Pennsylvanien, deux époques qui sont plutôt adaptées à l’Amérique du Nord, comme leurs noms l’indiquent. En Europe, on préfère utiliser le Houiller, divisé en Namurien, Westphalien et Stéphanien, le dernier nom tenant son nom de la ville de Saint-Étienne et de son bassin houiller.

Utilisation des fossiles

Le plus souvent, le géologue date une roche en reconnaissant les fossiles qui sont dedans. Il n’y a pas de raisonnement circulaire, ces fossiles n’étant pas datés par les roches dans lesquels ils figurent. Quand il n’y a pas de fossile, c’est très embêtant. Les sédiments déposés sur la terre ferme n’en contiennent généralement pas, alors que les sédiments marins ou lacustres en contiennent presque toujours. Les animaux dotés de parties dures qui fossilisent bien sont apparus il y a 541 millions d’années, date définissant le dernier éon, le Phanérozoïque. Les roches antérieures sont donc difficilement datables par cette méthode. On peut seulement repérer des séries sédimentaires avec quelques empilements de strates, mais elles ont souvent subi des transformations lors d’orogenèses : elles sont devenues des roches métamorphiques.

Datation absolue

Je n’ai parlé jusqu’ici que de datation relative : telle période est antérieure ou postérieure à telle autre. La datation absolue est basée sur la radioactivité. Elle a été développée durant les dernières décennies, et de manière remarquable, elle n’a pas bouleversé l’échelle stratigraphique. Tout cela forme un ensemble cohérent. La méthode de datation la plus connue est celle utilisant le carbone 14, mais comme elle ne fonctionne pas au-delà de 50 000 ans, elle n’est guère utilisée qu’en archéologie. En paléontologie, elle ne permet de dater que les fossiles les plus récents, comme les restes de mammouths. Je parlerai plutôt ici du potassium 40.

Il s’agit d’un isotope faiblement radioactif du potassium. Il se transforme de deux manières. Dans 88,8 % des cas, un neutron du noyau devient un proton en émettant un électron et un antineutrino électronique. Le potassium 40 se transforme alors en calcium 40, l’isotope le plus courant du calcium, qui est stable. Dans 11,2 % des cas, le noyau de potassium 40 capture un électron. Un proton se change alors en neutron tout en émettant un neutrino électronique. Le potassium 40 devient de l’argon 40, qui est un gaz rare. Il ne s’associe avec aucun autre élément. La demi-vie du potassium 40 est de 1,248 milliard d’années, c’est-à-dire qu’après ce laps de temps, sa quantité a été divisée par deux. Cela permet de dater les roches magmatiques de toute l’histoire de la Terre.

Celles-ci résultent par définition de la solidification d’un magma. C’est notamment le cas des granites. Il faut faire l’hypothèse que lors de sa solidification, le magma était entièrement dégazé (tous les gaz étaient partis) et que les minéraux ont piégé la totalité de l’argon 40 provenant du potassium 40, bref que l’on a affaire à un système fermé. Le rapport entre ces deux isotopes donne l’âge de la roche. On examine surtout deux micas, la biotite et la muscovite, ainsi que des feldspaths potassiques, puisque ces minéraux contiennent du potassium. Ils sont courants dans les granites.

On utilise aussi le couple rubidium/strontium pour dater les roches les plus anciennes. Les géologues n’ont pas besoin de connaître les quantités initiales de l’isotope père et de l’isotope fils. Il leur faut analyser plusieurs échantillons d’une même roche. Grâce à cette méthode, on peut dater la diagenèse de certaines roches sédimentaires, ce qui n’est pas possible avec le couple potassium/argon. Je rappelle cependant qu’il peut y avoir des intrusions des roches magmatiques dans les roches sédimentaires, forcément moins âgées qu’elles. Il arrive que des strates soient intercalées entre deux coulées de lave solidifiée, qui sont toutes les deux datables. Cela donne un intervalle de temps pour les strates. Les fossiles plus âgés que quelques dizaines de milliers d’années ne sont jamais directement datés. L’article, ci-dessous présente la datation par le système uranium/plomb, applicable aux cristaux de zircon. Ils sont présents dans toutes les roches magmatiques suffisamment riches en silice et sont quasiment indestructibles. Certains remontent à 4,4 milliards d’années.

Exposé détaillé : La radiochronologie