Datation absolue et échelle des temps géologiques

La chronologie relative ordonne les événements, mais seule la datation absolue leur attribue un âge en années. Depuis la découverte de la radioactivité, les horloges isotopiques ont permis de calibrer l'échelle des temps géologiques et de fixer l'âge de la Terre à 4,6 milliards d'années. Il faut maîtriser le principe de la période radioactive, choisir la bonne méthode selon le matériau et l'âge, et connaître les grandes coupures de l'échelle.

1. Géochronologie relative et géochronologie absolue

La géochronologie (du grec geo, la Terre ; khronos, le temps ; logos, science) regroupe les méthodes qui permettent de dater les formations géologiques, les formes du relief et les restes d'êtres vivants. Elle a d'abord été relative, fondée sur la stratigraphie et les fossiles (XVIII^e–XIX^e siècles) : rapide, peu coûteuse, applicable sur le terrain, mais approximative, elle indique l'ordre des événements. Depuis le milieu du XX^e siècle, les méthodes radiochronologiques, rendues possibles par la découverte de la radioactivité par Becquerel en 1896, donnent une géochronologie absolue qui indique quand un événement s'est produit. Un âge absolu s'exprime par rapport à l'an 0 de notre ère ou par rapport à 1950 (âge BP, before present).

2. Le principe de la datation radiométrique

Certains isotopes sont instables : l'élément père radioactif se désintègre spontanément en un élément fils stable, à une vitesse constante, indépendante de la température, de la pression et de la chimie du milieu. La période (ou demi-vie, T) est le temps au bout duquel la moitié des atomes pères initiaux s'est désintégrée : après une période il reste 50 %, après deux périodes 25 %, après trois 12,5 %. La loi de décroissance s'écrit N = N₀ e^−λt, où λ est la constante de désintégration liée à la période par T = ln 2 / λ. En mesurant le rapport entre élément fils accumulé et élément père restant, on calcule le temps écoulé depuis la fermeture du système, c'est-à-dire depuis la cristallisation du minéral (roche magmatique ou métamorphique) ou la mort de l'organisme (carbone 14). Le chronomètre est fiable si le système est resté clos : ni gain ni perte d'isotopes père ou fils depuis la fermeture.

3. Les principales méthodes radiométriques

Le carbone 14 (¹⁴C → ¹⁴N, période 5 730 ans) date la matière organique (bois, os, charbon, coquilles) jusqu'à environ 50 000 ans : le ¹⁴C, produit dans la haute atmosphère, est incorporé par les êtres vivants et cesse d'être renouvelé à leur mort ; c'est la méthode du Quaternaire récent et de l'archéologie. Le potassium-argon (⁴⁰K → ⁴⁰Ar, période d'environ 1,25 milliard d'années) date les laves et les cendres volcaniques de quelques milliers d'années à plusieurs milliards d'années ; l'argon, gaz, s'échappe de la lave fondue et ne s'accumule qu'après cristallisation. Le rubidium-strontium (⁸⁷Rb → ⁸⁷Sr, période d'environ 48,8 milliards d'années) et l'uranium-plomb (²³⁸U → ²⁰⁶Pb, période 4,47 Ga ; ²³⁵U → ²⁰⁷Pb, période 0,70 Ga) datent les roches magmatiques et métamorphiques les plus anciennes, notamment grâce au zircon, minéral très résistant riche en uranium. Ce sont les méthodes qui ont donné l'âge des météorites, et donc de la Terre.

Le choix de la méthode dépend du matériau (organique ou minéral) et de l'âge présumé : une méthode à courte période perd toute précision pour les âges anciens (le ¹⁴C a quasiment disparu au bout de dix périodes), et une méthode à longue période n'accumule pas assez d'élément fils pour les âges récents. Les roches sédimentaires ne se datent pas directement : on encadre leur âge par des roches volcaniques intercalées ou par les fossiles.

4. L'échelle des temps géologiques

L'échelle stratigraphique, dont Arthur Holmes publia la première version calibrée en 1937, découpe les 4,6 milliards d'années de la Terre en unités emboîtées : éons, ères, périodes (ou systèmes), époques et étages. Les limites correspondent à des événements majeurs, souvent des crises biologiques, et sont régulièrement recalibrées par les datations absolues et les inversions du champ magnétique. Les anciennes ères primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire sont remplacées par le Paléozoïque, le Mésozoïque et le Cénozoïque, mais le Quaternaire a été conservé comme période finale du Cénozoïque.

Le Précambrien regroupe trois éons : l'Hadéen (4,6 à 4,0 Ga, sans témoins stratigraphiques), l'Archéen (4,0 à 2,5 Ga, roches les plus primitives, premiers cratons) et le Protérozoïque (2,5 Ga à 541 Ma). Il représente près de 88 % de l'histoire de la Terre. Le Phanérozoïque (« vie visible »), depuis 541 Ma, se divise en Paléozoïque (541 à 252 Ma : Cambrien, Ordovicien, Silurien, Dévonien, Carbonifère, Permien), Mésozoïque (252 à 66 Ma : Trias, Jurassique, Crétacé) et Cénozoïque (66 Ma à nos jours : Paléogène, Néogène, Quaternaire depuis 2,58 Ma).