La datation par le Carbone 14 ( 0 à -50'000 an)

La plus célèbre des datations a connu plusieurs révolutions. Aujourd'hui, on connaît ses limites et l'on en améliore sans cesse la précision et le champ d'action.

Depuis le début du XXe siècle, le déchiffrement des messages géologiques qui retracent l'évolution minérale et biologique de la Terre met au jour différents chronomètres naturels, fondés pour la plupart sur la radioactivité. Le principe est simple: quand on connaît la période radioactive d'un isotope, la diminution de son activité ou de sa concentration mesure le temps écoulé depuis la formation de l'échantillon qui le contient.

Parmi toutes ces horloges, la médtode du carbone 14 est la plus connue, sans doute parce qu'elle a permis de dater les principales étapes de l'histoire de l'humanité et de ses civilisations. Elle a été proposée en 1947 par Ernie Anderson et Willard Libby. Leur méthode est fondée sur la radioactivité du carbone 14, isotope du carbone découvert dix ans auparavant.

Le carbone 14 est produit dans la haute atmosphère où des protons du rayonnement cosmique percutent les molécules de l'air. Les réactions nucléaires qui résultent de ces chocs produisent des neutrons secondaires, qui entrent à leur tour en collision avec d'autres molécules et sont ralentis. Lorsque leur vitesse devient comparable à la vitesse d'agitation thermique des gaz, les neutrons ont une forte probabilité de réagir avec l'azote de l'air (14N), pour donner un proton et un nouvel isotope du carbone, le carbone 14.

La production de carbone 14 est maximale entre 15 et 18 kilomètres d'altitude. Cet isotope du carbone est radio-actif et Libby a estimé sa période à 5 568 ans. Dès sa formation, il s'oxyde rapidement en gaz carbonique, qui se mélange avec celui de l'air et des eaux continentales ou océaniques. Dans le milieu naturel, la production du carbone 14 et sa disparition par désintégration s'équilibrent autour d'une faible quantité de carbone 14: il y a environ 10-12 fois moins d'atomes de carbone 14 que d'atomes de carbone stable, de masse atomique 12 pour l'essentiel (il existe un autre isotope stable du carbone, le carbone 13, qui représente le 01,10 pour cent du carbone naturel total). Il en résulte une radioactivité 'infime du carbone naturel: pour un gramme de carbone en circulation dans l'atmosphère, on dénombre 13,56 désintégrations radio- actives par minute.

 

La radioactivité naturelle du carbone.

Anderson et Libby eurent l'idée d'utiliser la radioactivité naturelle du carbone pour la datation. Les êtres vivants, végétaux ou animaux, assimilent ce carbone faiblement radioactif: A la mort de l'organisme, tout échange avec le milieu extérieur cesse, déclenchant l'horloge radioactive: les atomes de carbone 14 disparaissent peu à peu. La radioactivité du carbone décroît alors avec le temps, comme la concentration en carbone 14, selon une loi exponentielle. Le rapport entre la composition isotopique actuelle et la composition isotopique initiale du carbone 14 fournit l'âge de l'échantillon analysé, c'est-à- dire l'instant passé où il s'est formé.

Anderson et Libby émirent l'hypothèse que la production de carbone 14 avait toujours été la même et que la radioactivité du gaz carbonique de l'air était restée constante dans le passé. C'est là l'hypothèse fondamentale de la méthode de datation par le radiocarbone, telle qu'on l'a appliquée en géologie et en archéologie, ainsi que dans des domaines plus délicats comme la détermination de l'âge des eaux souterraines ou celui de l'eau profonde des bassins océaniques. Gr✠à cette méthode, on date des échantillons de moins de 50000 ans: dans des échantillons plus anciens, on ne détecte pratiquement plus d'atomes de carbone 14. Anderson et Libby confirmèrent la validité de leur méthode en datant des fragments de bois d'âges connus: le bois d'une souche de séquoia californien âgé de presque 3 000 ans et une planche du pont du bateau funéraire du pharaon égyptien Sésostris III.

Depuis 40 ans, les méthodes de mesure ont beaucoup évolué. Par exemple, on a amélioré la technique de comptage, qui mesure la radioactivité naturelle du carbone des composés à dater. Les premières mesures étaient très perturbées par les particules du rayonnement cosmique: leurs impacts sur les détecteurs s'ajoutent au signal de désintégration du carbone 14. Pour arrêter ces particules, on a entouré l'échantillon et le compteur principal d'une épaisseur de plomb qui en absorbe une grande partie. De plus, ces « châteaux de plomb » sont parfois placés sous une épaisseur d'un mètre d'eau, l'eau étant également un excellent écran.

Le plus souvent, de5 détecteurs secondaires entourent le compteur principal afin que l'on puisse distinguer les désintégrations du carbone 14 d'un signal dû aux particules cosmiques, par œ que l'on nomme une méthode d'anticoïncidenœ. En effet, les désintégrations du carbone 14 ne sont détectées que par le compteur principal, tandis qu'une particule cosmique, quand elle traverse les écrans, crée un signal quasi simultané (une coïncidence) sur les compteurs secondaires et principal. Des impulsions simultanées sont donc retirées du comptage. On soustrait aussi les impulsions parasites du compteur (le bruit de fond) par des moyens électroniques: ces impulsions n'ont pas les mêmes caractéristiques qu'une impulsion due à une désintégration d'un atome de carbone 14. Outre cette sélection du signal, on diminue encore le flux de particules cosmiques en installant les appareils de comptage des très faibles radioactivités dans des laboratoires souterrains, par exemple à Modane, où une épaisseur de roche (des schistes) de 1 800 mètres arrête la quasi-totalité des particules cosmiques.

Depuis une dizaine d'années, la datation par le carbone 14 s'effectue également à l'aide de spectromètres de masse couplés à un accélérateur de particules. Par cette nouvelle technique, on date des échantillons de petite taille.