L'apport de la chronologie absolue dans la datation des évènements géologiques

Pour réaliser une datation absolue, il est nécessaire d'utiliser des isotopes radioactifs présents dans les roches, et plus précisément dans les minéraux.

Il existe en effet des éléments chimiques possédant des isotopes naturels radioactifs. Lors de leur désintégration, ces éléments émettent des rayonnements et se transforment en éléments stables, présentant une légère différence de masse. Les roches de type magmatique et métamorphique sont de bons candidats pour la datation par radiochronologie. Elles contiennent naturellement des isotopes radioactifs dans un système fermé lors de la cristallisation des minéraux.

Pour comprendre la datation absolue, il est tout d'abord nécessaire de distinguer deux éléments : l'isotope père et l'isotope fils.

L'isotope père est un atome radioactif qui va se désintégrer de manière continue au cours du temps, en suivant une constante de désintégration. Cette constante de désintégration est spécifique de chaque isotope.

L'isotope fils se forme après la désintégration de l'isotope père. La quantité d’isope fils va augmenter dans le minéral, à mesure que la quantité d’isotope père diminue. Cet isotope fils, au contraire de l’isotope père, n'est pas radioactif, il est stable.

La spectrométrie de masse permet de doser la quantité des différents isotopes présents dans un échantillon.

La désintégration isotopique étant constante et mesurable, il est possible de mesurer le temps depuis la formation de la roche. Les isotopes permettent donc de dater la période de formation de la roche, ce sont des chronomètres.

Chaque isotope radioactif possède une demi-vie ou période radioactive (T) qui correspond au temps nécessaire à la désintégration de la moitié de la population initiale (N₀) d’isotope radioactif.

Elle se calcule à l’aide de la formule suivante :

Avec : T la durée de la demi-vie, en années (an) ; ln le logarithme népérien ; λ la constante de désintégration de l’isotope radioactif, en an-1.

Le tableau suivant donne la constante de désintégration et la demi-vie des isotopes les plus utilisés.

Pour calculer les quantités d’isotopes dans les minéraux, il est nécessaire d'utiliser un spectromètre de masse.

De manière générale, la désintégration de l'isotope radioactif (l’isotope père) suit une loi de décroissance exponentielle :

Avec : N(t) la quantité de l’isotope radioactif à un instant t ; N0 la quantité initiale d’isotope radioactif ; t le temps écoulé depuis le début de la désintégration, en années (an) ; λ la constante de désintégration de l’isotope radioactif, en an-1.

À partir de la formule initiale, nous pouvons obtenir : 

Cette formule permet de calculer le temps écoulé depuis le moment où le système s’est fermé, et donc de déterminer la date qui correspond à ce moment. Cette date correspond soit à la mort de l'animal, soit à la cristallisation du magma.

Le potassium 40, qui est radioactif, est présent dans les roches et se désintègre en argon 40 et en calcium 40. Chacune de ces désintégrations dispose de sa propre constante de désintégration. La constante de désintégration totale est égale à 5,543·10^-10 an^-1, car la constante pour la désintégration en calcium est de 4,96 ·10^-10 an^-1, et celle pour la désintégration en argon est de 5,8·10^-11 an^-1.

Les calculs permettent de montrer que  et que cette valeur est une constante.

Il est de ce fait possible de connaitre l’âge de la roche en utilisant la formule suivante :

La méthode potassium/argon est surtout utilisée pour dater des roches volcaniques car, pour les autres roches, plusieurs paramètres peuvent fausser les résultats.

Pour que la méthode soit valide, le premier point à vérifier est l'absence d'argon dans la roche.

De fait, l’argon est un gaz qui va souvent disparaitre lors de la fermeture du système, car les roches volcaniques, lors de leur cristallisation, vont dégazer. Ce paramètre est donc le plus souvent validé pour les roches volcaniques.

Le second point à vérifier est que les mesures sont réalisées dans un système clos. Il ne doit pas y avoir de contamination par l'argon.

De plus, cette technique utilise deux appareils différents de mesure, chacun d’eux ayant ses propres erreurs de mesure. Il est donc nécessaire d'être attentif sur les résultats obtenus avec cette datation.