Méthodes de datation appliquées à la géologie du Quaternaire (suite)

Nucléides cosmogéniques : âge d’exposition ¹⁰Be

Passons à la méthode de datation par les nucléides cosmogéniques, qui est celle que je vais utiliser le plus au cours de ma thèse. Cet ensemble de méthodes de datations est très utilisée depuis quelques années en géomorphologie et notamment en géomorphologie glaciaire. Ici, je vais me contenter d’introduire la méthode que j’utilise sur des blocs erratiques pour ma thèse : les âges d’exposition par quantification de l’isotope 10 du béryllium (Be).

Le Be est présent en tant qu’élément trace dans des minéraux tels que le quartz. Son isotope stable est le ⁹Be. L’isotope 10 est radioactif et est formé sous l’effet de rayonnements cosmiques pénétrant notre atmosphère (une petite partie vient du soleil, la grande majorité de structures telles que les supernovas). Du ¹⁰Be va être formé dans les minéraux de quartz d’une roche lorsque celle-ci est exposée à l’air libre et donc aux rayonnements cosmiques. Ces rayonnements pénètrent mal à l’intérieur de la roche ou du sol et la production de ¹⁰Be va être quasi nulle à partir de quelques centimètres de profondeur. Si l’on connaît le taux de production de ¹⁰Be via l’exposition aux rayonnements cosmiques (qui change notamment avec la latitude et l’altitude), son taux de désintégration (la demi-vie, tout ça tout ça) et que l’on sait le quantifier dans un échantillon de roche, alors on peut savoir depuis quand l’échantillon prélevé est exposé à l’air libre !

Quantifier le ¹⁰Be, qui est présent en infime quantité par rapport au ⁹Be, n’est pas une mince affaire. En France, un seul spectromètre de masse est capable de le faire. Il se trouve au CEREGE, à Aix-en-Provence. Tous les échantillons de nucléides cosmogéniques du pays passent par cette énorme machine ! Le résultat en sortie est un rapport ¹⁰Be/⁹Be, qui permet ensuite de calculer un nombre d’atomes de ¹⁰Be par gramme de quartz (je vous épargne les détails). Evidemment, les échantillons doivent être traités au préalable. Par exemple, j’ai pour ma thèse principalement échantillonné des blocs erratiques de granite. La première étape consiste à broyer les échantillons pour en faire du sable. Il faut ensuite supprimer tous les minéraux qui ne sont pas du quartz, via de la séparation magnétique et des attaques chimiques acides (les feldspaths et les micas notamment pour le granite). Une fois qu’il ne reste que du quartz, il faut le dissoudre complètement via de l’acide fluoridrique (un acide très dangereux qui ne peut être manipulé que par les personnels de laboratoire autorisés) puis séparer tous les éléments restants autres que le Be via des protocoles chimiques.

Mais alors, quel est l’intérêt de cette méthode en géomorphologie glaciaire ? Prenons le cas des blocs erratiques. Ces gros blocs de roche ont été arrachés par le glacier ou se sont écroulés dessus. Ils ont donc été pris dans la glace et transportés à l’abri des rayonnements cosmiques. Lorsque le glacier fond en période de retrait, il va abandonner des blocs erratiques, qui vont alors se retrouver exposés aux rayonnements cosmiques. Vous pouvez ainsi théoriquement dater depuis quand le bloc a été abandonné par le glacier et donc à quel moment le glacier s’est retiré de la zone de dépôt ! D’où l’intérêt dans le cadre de ma thèse.

Bien sûr, ceci est de la belle théorie et il est important de garder plusieurs biais potentiels à l’esprit. Tout d’abord, une quantité de ¹⁰Be peut être « héritée ». Si le bloc rocheux était exposé sur une falaise avant d’être transporté sur le glacier, des isotopes 10 de Be se seront formés. Si le bloc n’est ensuite pas resté suffisamment longtemps dans la glace, à l’abri des rayonnements cosmiques, pour que tous les atomes de ¹⁰Be puissent se désintégrer, le bloc en contiendra encore lors de son abandon par le glacier. L’âge obtenu sera alors « plus vieux » que celui du dépôt du bloc par le glacier. A l’inverse, si le bloc s’est retrouvé enfoui dans le sol pendant une certaine période après son abandon par le glacier, alors la formation d’atomes de ¹⁰Be n’aura pas été continue et l’âge obtenu sera « plus jeune » que celui du dépôt du bloc.

Pour calculer l’âge d’exposition d’un bloc, d’autres éléments sont à prendre en compte. Il faut prendre en compte l’écrantage du bloc, c’est à dire les éléments du paysages qui peuvent bloquer les rayonnements cosmiques et ainsi limiter la production de ¹⁰Be (une montagne à l’horizon par exemple). Pour éviter d’avoir un écrantage local (une partie du bloc qui en cache une autre par exemple), on essaye dans la mesure du possible de prélever le sommet du bloc. Enfin, il faut également considérer l’érosion. En effet, la surface du bloc va être peu à peu usée par les intempéries et érodée. La surface actuelle du bloc était ainsi peut-être située à plusieurs centimètres de profondeur il y a plusieurs milliers d’années. Pour les blocs datant de la fin de la dernière déglaciation, on va souvent considérer que l’érosion n’a pas eu le temps d’être trop importante et qu’elle est négligeable (ce qui peut être faux) mais la question devient plus complexe pour des blocs beaucoup plus anciens, déposés lors de l’avant-dernière glaciation par exemple (il y a plus de 120 000 ans).

Luminescence Stimulée Optiquement (OSL)

Enfin, la dernière méthode de datation s’effectue sur des dépôts de sable, sur les minéraux de quartz ou de feldspaths. Ici, le principe est un peu inverse à celui du ¹⁰Be, on va dater l’enfouissement du sédiment, la période depuis laquelle il n’a pas été exposé à la lumière. Cette méthode est beaucoup utilisée en archéologie et se développe en géologie du Quaternaire.

La méthode se base sur le phénomène suivant : l’accumulation d’électrons dans les défauts de la maille cristalline des minéraux. Une maille cristalline, c’est un assemblage régulier d’atomes formant un cristal. Ces mailles ne sont jamais complètement parfaites et des défauts y sont présents. Du fait du rayonnement radioactif d’éléments traces (l’uranium par exemple), des électrons vont se retrouver piégés à intervalle régulier dans les défauts de la maille, ce jusqu’à ce que tous les défauts soient remplis. Lorsque le minéral est exposé à la lumière, les électrons sont excités et éjectés des défauts de la maille cristalline, on dit que le minéral est « blanchi ». Les électrons s’accumulent donc tant que le sédiment est enfoui.

Pour utiliser cette propriété à des fins de datation, il convient donc de prélever des échantillons de sable dans des affleurements sans les exposer à la lumière, en les enfermant dans un tube opaque que l’on enfonce dans le sédiment. Après divers traitements, les minéraux de quartz ou de feldspaths sont excités via un rayonnement lumineux. La réaction lumineuse en réponse varie en intensité selon la quantité d’électrons accumulés dans les défauts de la maille cristalline. Il est alors possible d’obtenir l’âge d’enfouissement du sédiment en connaissant le taux d’accumulation des électrons dans les défauts de la maille.

Cette méthode a deux principales limites. Tout d’abord, si tous les défauts de la maille cristalline sont occupés par des électrons, alors il ne peut plus s’en accumuler. L’âge obtenu par cette méthode est donc seulement un âge minimum. L’autre problème vient du mauvais « blanchiment » d’un sédiment lors de son dépôt. Par exemple, si un glacier arrache des grains à un grès sur lequel il s’écoule et que ces grains sont ensuite déposés dans un delta lacustre en aval du glacier, dans un milieu très opaque, riche en sédiments, alors peut être que les grains ne seront pas exposés à la lumière ! Il sera alors difficile d’obtenir l’âge du dépôt du sédiment en aval du glacier.

Voilà, ces deux articles sont déjà suffisamment long, nous allons nous arrêter ici ! J’espère avoir bien réussi à vulgariser ces méthodes de datation. A la prochaine fois pour un nouvel article !