Comment les scientifiques déterminent-ils l’âge des dinosaures fossilisés et d’autres organismes?

Comment les scientifiques déterminent-ils l’âge des ancêtres humains, des dinosaures fossilisés et d’autres organismes?

Sur la côte atlantique des États-Unis, les archéologues ont trouvé des coquilles d’huîtres laissées par les Amérindiens il y a plus de 4000 ans. Au Maroc, des paléontologues ont fouillé les fossiles d’un dinosaure qui parcourait la Terre il y a 168 millions d’années. Comment les chercheurs ont-ils déterminé ces âges? Lors de l’examen des vestiges du passé, les experts utilisent la datation radiométrique, une technique polyvalente qui consiste à compter les atomes radioactifs de certains éléments qui sont encore présents dans un échantillon. Les éléments particuliers étudiés, ainsi que les détails du processus, dépendent de l’âge approximatif de l’objet que les scientifiques espèrent à ce jour.

Echantillons au carbone 14

Pour les restes humains ou animaux et les artefacts des 50 000 dernières années environ, les chercheurs examinent les niveaux de carbone 14 dans l’échantillon. Aussi appelé «radiocarbone», cet isotope est généré par les rayons cosmiques qui entrent en collision avec l’azote dans l’atmosphère terrestre, explique José Capriles, archéologue à l’Université d’État de Pennsylvanie. Chimiquement, le carbone 14 se comporte exactement comme ses frères et sœurs stables (carbone 12 et carbone 13), permettant aux plantes de l’absorber pendant la photosynthèse, puis de le transmettre dans la chaîne alimentaire. Lorsqu’ils sont vivants, les animaux et les plantes ont tendance à contenir les mêmes niveaux de carbone 14 que leur environnement. Mais «à mesure que les organismes vivants meurent, ils cessent de consommer ou d’incorporer du radiocarbone», dit Capriles, et «le processus de radioactivité entre en jeu», l’isotope se décomposant en azote. Les chercheurs comparent donc la quantité de carbone 14 avec les niveaux de carbone 12 et de carbone 13 pour déterminer combien de temps s’est écoulé depuis qu’un organisme a péri.
La quantité de carbone 14 dans un organisme mort se désintègre de façon exponentielle, tombant à la moitié de sa valeur initiale après environ 5 730 ans. À l’aide d’un spectromètre de masse à accélérateur, les chercheurs peuvent facilement mesurer le radiocarbone dans un échantillon. La tâche la plus délicate est d’estimer la quantité de celui-ci qui aurait dû être présente dans l’environnement lorsque l’organisme était vivant, ce qui peut ensuite servir de base de comparaison.

Autres éléments de datation

«Le torchage solaire et d’autres événements peuvent influencer la quantité de radiocarbone dans la haute atmosphère», explique Capriles. « Et il y a aussi [a] répartition quelque peu différente du radiocarbone dans le monde entier. » Sur la base des mesures des cernes d’arbres, des carottes de glace et d’autres sources, les chercheurs ont conçu des courbes d’étalonnage qui montrent comment la concentration de carbone 14 dans l’environnement a changé au fil du temps. L’hémisphère nord, l’hémisphère sud et les environnements marins ont tous des courbes d’étalonnage distinctes, explique Capriles. Pour obtenir la datation la plus précise, lui et d’autres archéologues prennent également en compte les facteurs qui provoquent des variations locales du radiocarbone atmosphérique.
Capriles étudie les premiers occupants d’Amérique du Sud, qui sont arrivés du nord et ont commencé à se disperser à travers le continent il y a environ 15 000 ans. Sur chaque site archéologique, lui et ses collègues «veulent juste savoir quand les gens étaient là», dit-il. «Combien de temps sont-ils restés là-bas? Quelle était leur intensité d’occupation? Pour reconstruire la chronologie d’un site, ajoute Capriles, «il n’ya pas de meilleure méthode que d’utiliser la datation au radiocarbone» sur les os, les tissus, les graines et tout autre matériau organique qu’il trouve. Mais sur les sites datant de plus de 50 000 ans, la quasi-totalité du carbone 14 d’un organisme mort s’est déjà décomposé, les chercheurs doivent donc se tourner vers des éléments à plus longue durée de vie.
Provenant du manteau terrestre, certains éléments radioactifs atteignent la surface par le biais de processus volcaniques et se retrouvent piégés à l’intérieur de cristaux minéraux dans le sol et la roche. Au cours de millions d’années, l’uranium 235 et l’uranium 238, par exemple, subissent des désintégrations en plusieurs étapes en isotopes du plomb, ce qui les rend idéaux pour la paléontologie: les chercheurs peuvent déterminer l’âge d’un échantillon en mesurant le rapport des isotopes du plomb aux isotopes de l’uranium. Mais utiliser cette technique pour dater des fossiles de créatures qui ont vécu il y a des millions d’années, comme les dinosaures, est loin d’être simple. «Les fossiles eux-mêmes ne peuvent généralement pas être datés directement», explique Sarah Gibson, paléontologue à la St. Cloud State University, qui étudie l’évolution des poissons il y a environ 230 millions à 150 millions d’années, au début de l’ère mésozoïque.
Les fossiles se forment grâce à divers processus, dont le plus courant est la perminéralisation. Lorsqu’un organisme décédé est enterré, la perminéralisation peut préserver ses parties dures, comme les os. Au fur et à mesure que l’eau s’infiltre dans les restes, les minéraux contenus dans l’eau comblent les lacunes des os, se solidifiant en une structure cristalline qui remplace finalement la matière organique. Au moment où  forment un fossile, ils ne sont plus «frais» – l’uranium à l’intérieur est déjà en décomposition depuis des millions d’années. Tenter d’en dater une directement donnerait un faux résultat – beaucoup plus ancien que l’organisme lui-même. En conséquence, les scientifiques doivent «s’appuyer sur les formations géologiques qui sont autour ou adjacentes aux fossiles» pour calculer leur âge, explique Gibson. Parce que les fossiles se trouvent généralement dans les couches de roches sédimentaires, les paléontologues peuvent les dater en examinant les minéraux au-dessus ou en dessous de la roche sédimentaire.
les minéraux

Le minéral Zircon et la magnétostratigraphie

Le zircon, un minéral couramment trouvé dans les roches ignées, s’avère particulièrement utile. Lorsque le zircon se forme dans le magma de refroidissement, sa structure cristalline contient de l’uranium mais pas de plomb. Ainsi, tout plomb présent dans un échantillon de zircon doit s’être formé par désintégration radioactive de l’uranium. Cette fonctionnalité permet aux géologues de dater les coulées de cendres volcaniques qui sont entrecoupées de couches de roches sédimentaires comme un gâteau de couches préhistoriques. Tous les fossiles trouvés dans la roche sédimentaire doivent être plus jeunes que les cendres en dessous et plus vieux que les cendres au-dessus.
Jusqu’ici tout va bien. Mais que faire s’il n’y a pas de couche de cendres à proximité des fossiles? «Ce n’est pas toujours coupé et séché», dit Gibson. «Sur les sites fossiles sur lesquels j’ai travaillé dans l’Utah, nous devons retracer la [rock] lits d’Arizona [that have already been dated] vers le nord et essayez de corréler [them] à différentes formations géologiques [in Utah]. Ensuite, nous pouvons obtenir une estimation de l’âge ou du jeune de quelque chose, en fonction de la position relative. » L’approche est un peu comme tracer une couche d’un gâteau d’anniversaire sur le côté opposé du gâteau. Dans d’autres cas, les chercheurs peuvent dater des restes fossilisés en utilisant des «fossiles index» à proximité d’espèces connues pour avoir existé pendant une période de temps précise. Une autre technique encore, la magnétostratigraphie, étudie les signatures magnétiques laissées dans les roches par le champ magnétique terrestre lorsque son orientation se déplace lentement.
Pour comprendre comment l’anatomie des poissons a changé au fil du temps, Gibson dépend des résultats de la datation uranium-plomb, de la magnétostratigraphie et des fossiles d’index. En raison des difficultés à déterminer l’âge des couches de roche, elle n’effectue cependant pas elle-même de datation radiométrique. «Vous ne pouvez pas vous spécialiser dans tout. C’est pourquoi vous avez des collègues qui peuvent faire ce genre de travail », dit-elle. «Je compte vraiment sur le travail d’autres géologues et chimistes pour déterminer ces dates précises.»
L’exactitude et la précision de la datation au radiocarbone et de la datation uranium-plomb se sont améliorées au cours des dernières décennies, les scientifiques en apprenant davantage sur le passé de la Terre. En fait, les chercheurs ont publié cette année une mise à jour majeure des courbes d’étalonnage du radiocarbone. Des premiers animaux à l’émergence de la civilisation humaine, «nous travaillons tous ensemble, en tirant parti des études de chacun [together] cet instantané du temps », dit Gibson.

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