Bonjour à tous ! En biologie, beaucoup de phénomènes sont directement observables sous nos yeux, ou bien observables à l'aide d'instruments biologiques, comme les microscopes par exemple. Mais quand on s'intéresse aux phénomènes géologiques, ce n'est plus aussi évident, dans le sens où les processus affectant les roches s'opèrent sur des périodes de temps beaucoup plus longues.
Je parle pour avoir un ordre d'idée de l'ordre du million d'années. Alors, Comment le géologue s'y prend-il pour reconstituer l'histoire géologique d'une région en particulier, ou plus globalement, l'histoire de notre planète ? C'est ce que je vous propose de voir ensemble dans cette vidéo.
Allez go, c'est parti ! 1, 2, 3, les seins ! Reconstituer l'histoire géologique de notre planète, ou plus localement d'une région donnée, nécessite pour le géologue d'appliquer des méthodes chronologiques.
Il dispose pour cela de la chronologie relative, lui permettant de placer des événements géologiques les uns par rapport aux autres dans le temps. C'est donc bien ici quelque chose de relatif. Et notre géologue dispose également de la datation absolue, qui lui permettra de déterminer un âge chiffré. Commençons ensemble par la chronologie relative.
Pour pouvoir dater des événements géologiques les uns par rapport aux autres, et donc de pouvoir les replacer dans le bon ordre chronologique, il est nécessaire d'observer différentes choses sur le terrain et d'appliquer un certain nombre de principes de base que je vais vous récapituler maintenant. Vous avez tout d'abord le principe de superposition. Alors en quoi consiste-t-il ? Voici un affleurement sur lequel on peut observer une superposition de strates sédimentaires issues d'une accumulation de sédiments dans le temps.
Les couches se déposent horizontalement, Et les strates les plus basses, que vous voyez ici, correspondent aux plus anciennes, autrement dit, aux strates les plus âgées. Et celles présentes au-dessus sont de plus en plus jeunes. Attention, ne vous faites pas piéger, les déformations tectoniques peuvent inverser l'ordre des couches. Donc, gardez cela en tête et vérifiez-le pour ne pas vous tromper dans votre grille de lecture. Passons au deuxième principe.
Il s'agit du principe de recoupement. Voici sur cet affleurement la présence d'une grande faille qui recoupe la structure dans son ensemble. Ici. La mise en place de cette faille ne peut avoir eu lieu qu'après la mise en place des strates dans laquelle on observe cette faille. Vous êtes d'accord avec moi, hein ?
On ne peut affecter une structure que si elle a été mise en place avant. Prenez cet autre exemple. Vous avez un socle de couleur clair, au niveau de cet affleurement, qui est recoupé par un filon très sombre au centre de la photo. Il s'agit de basalte, qui recoupe ici toute notre structure claire.
Il s'agit une nouvelle fois d'un recoupement. Le filon de basalte s'est mis en place après la formation du socle, ici de couleur claire. Donc, à garder en tête, toute formation géologique, que ce soit une faille, une roche ou même un événement d'érosion, qui en recoupe un autre, est considérée comme plus récente. Troisième principe, c'est le principe d'inclusion. Prenez cet enchantillon assez commun.
Il s'agit d'un basalte issu d'une coulée volcanique. Eh bien, si vous le regardez de plus près, on peut observer qu'il contient des inclusions. Vous avez... Une inclusion d'une roche de couleur verdâtre.
Il s'agit d'une péridotite provenant du manteau. Et à côté, vous voyez la présence d'un petit granit. Ici, que ce soit la péridotite ou le granit, ce sont des éléments inclus dans le basalte.
Ils sont donc plus vieux que le contenant de notre basalte. C'est le principe d'inclusion. Tout objet, que ce soit une roche ou un minéral inclus dans un autre, est plus ancien que celui-ci. Il existe un autre principe permettant de réaliser une datation relative qui consiste à travailler sur le contenu fossilifère présent dans la couche géologique. Je m'explique.
Dans certaines formations sédimentaires, on peut trouver des fossiles. Et lorsqu'on les analyse plus en détail, on peut les utiliser pour dater en géologie. Et oui, je vous rappelle que les êtres vivants évoluent et changent dans le temps. Leur fossilisation permet de caractériser les différentes strates sur le terrain. Par exemple, si le contenu en fossiles est le même entre deux strates, comme vous l'avez sur votre écran au niveau de la couche numéro 3, alors on peut supposer qu'elles sont de même âge.
Mais attention, tous les fossiles ne sont pas de bons marqueurs temporels. Seuls les fossiles stratigraphiques peuvent être utilisés dans ce cadre et ils répondent à quelques critères stricts. Les voici.
Le premier, c'est que l'espèce doit avoir eu une courte période de vie sur Terre de l'ordre du million d'années, voire moins. Donc à retenir une courte durée de vie à l'échelle des temps géologiques. Ensuite, l'espèce doit avoir une grande extension géographique afin de permettre l'établissement de corrélations entre strates à l'échelle du globe lorsque les principes géométriques ne suffisent plus. Et il existe de nombreuses espèces correspondant à ces critères. Par exemple, les trilobites ayant vécu durant l'ère primaire correspondent...
bien à la définition. Vous avez également les ammonites représentatives de l'ère secondaire. Mais ce que préfèrent avant tout les géologues, ce sont les microfossiles. En voici quelques exemples en photo ici.
Ce sont de tout petits fossiles. Regardez leur taille. Ici, l'échelle est de l'ordre du micromètre.
Et les photos ont été prises au microscope électronique à balayage. C'est vraiment très très beau. Et ce qui est intéressant avec eux, c'est qu'ils peuvent être très abondants et qu'ils ont eu pour la...
plupart une évolution rapide et continue dans le temps et ça c'est très intéressant car selon leur forme on peut très facilement savoir dans quelle période géologique on les retrouve. Ils représentent souvent de bien meilleurs indicateurs des périodes géologiques. Voilà concernant la chronologie relative vous avez maintenant en main les principes méthodologiques consistant à placer chronologiquement des structures et des événements géologiques les uns par rapport aux autres. J'aimerais maintenant vous présenter Un scientifique.
Le voici sur votre écran. Il s'agit du physicien et chimiste néo-britannique Ernst Rutherford. Il est considéré comme étant le père de la physique nucléaire car il a découvert les rayonnements appelés alpha, beta, mais surtout, et c'est ce qui nous intéresse ici, c'est qu'il a découvert que la radioactivité s'accompagnait d'une désintégration des éléments chimiques qui lui a valu d'ailleurs le prix Nobel de chimie en 1908. Ce qui est intéressant à garder en tête ici, c'est qu'il a pu, grâce à la radioactivité, attribuer un âge chiffré à une roche et donc de les dater de manière absolue.
Voici le principe. Lorsqu'on veut donner un âge par radiocronologie, on s'intéresse aux isotopes. Ce sont des atomes qui possèdent le même nombre d'électrons, et donc de protons puisque les atomes sont neutres électriquement, mais ces atomes possèdent un nombre différent de neutrons. Regardez, on représente le plus souvent un élément par son symbole.
x associé au nombre de masse A et à son numéro atomique Z. Le nombre de masse A correspond au nombre de protons plus neutrons. Et les isotopes d'un même élément ont un même nombre d'électrons et protons, donc ici le même Z, mais un nombre de neutrons différent, donc un nombre de masse A différent. Un exemple très connu, c'est celui du carbone 12 et du carbone 14 qui diffèrent par leur nombre de masse.
Comme vous voyez sur votre écran, c'est de couleur jaune. Les isotopes d'un même élément ont des propriétés chimiques identiques, mais par contre des propriétés physiques différentes. Par exemple, ils peuvent être stables ou être radioactifs. Ici, le carbone 12 est par exemple stable, alors que le carbone 14 est radioactif. Alors maintenant, regardons de plus près les isotopes radioactifs, parce que ce sont eux qui vont nous intéresser maintenant pour déterminer un âge par radiocronologie.
Ils disparaissent en se transformant en d'autres isotopes de façon naturelle au cours du temps. On dit qu'ils se désintègrent. Alors, les isotopes radioactifs sont appelés paires et se désintègrent en isotopes radiogéniques appelées fils selon une loi physique que voici. C'est la loi de désintégration radioactive.
Elle peut s'écrire de la façon suivante. Ici, P0 est la quantité d'éléments paires à l'instant 0. Par exemple, au moment où s'est formée une roche. On y revient dans un instant. Pt, la quantité d'éléments pairs que l'on va mesurer à l'instant t. Donc, lorsque l'on trouve cette roche, on fait la mesure.
Lambda, ici, c'est la constante de désintégration propre à chaque élément. Et t, qui est ici notre inconnu à déterminer, le temps. On peut mesurer directement la quantité d'isotopes pairs et fils présentes dans une roche ou un minéral.
Et pour cela, les géologues utilisent un appareil appelé spectromètre de masse qui permet de séparer les isotopes d'un élément en utilisant ce qui les distingue. Vous vous rappelez, hein ? Ce qui les distingue, c'est leur masse.
Les roches contiennent des minéraux qui sont eux-mêmes constitués de divers éléments chimiques. Les minéraux peuvent être par exemple du quartz, de la biotite, du feldspath, et ces minéraux sont constitués d'éléments chimiques comme le fer, le sodium, le calcium ou encore le rubidium. Et parmi ces éléments chimiques, certains peuvent être radioactifs. Cette radioactivité, naturellement contenue dans les roches, permet de les dater de façon absolue, c'est-à-dire de leur donner un âge. C'est ça qu'on appelle la radiocronologie.
Alors, comment fonctionne la radiocronologie ? Quelle est la relation entre la radiocronologie et la datation d'une roche ? Alors, pour dater une roche par radiocronologie, il faut que les isotopes restent piégés dans l'échantillon.
Ça veut dire quoi ? Eh bien ça veut dire qu'aucun élément ne doit pouvoir ni y rentrer, ni en sortir. On qualifie le système de fermé.
Par exemple, les roches magmatiques répondent bien à cette définition. Regardez ici sur ce graphique. Vous avez sur l'axe des Y la température, puis au fur et à mesure du refroidissement de la lave, vous allez avoir une cristallisation qui va se réaliser. Et à un moment donné, vous allez atteindre ce que l'on appelle la température de blocage.
C'est mentionné fermeture sur le graphique. Et c'est à partir de ce moment-là que vous avez le départ du radiocoronomètre. et que vont s'accumuler dans le temps, les isotopes fissent à partir des isotopes pères. Gardez en tête que la température de blocage des isotopes peut varier d'un minéral à un autre et que les mesures peuvent donner des résultats sensiblement différents d'une méthode à une autre.
Et pour un être vivant, à partir duquel on souhaiterait réaliser ce type de mesure, la fermeture du système sera liée à sa mort. Par exemple, on peut utiliser les coquilles. les cheveux ou encore les os comme échantillon possible.
Pour un élément donné, et quelle que soit la quantité d'éléments pairs présente au départ, il faut toujours le même temps pour que cette quantité d'éléments pairs, au départ, soit réduite de moitié par désintégration. Cette durée particulière constitue la période, période radioactive notée T, on dit aussi temps de demi-vie de l'élément. La constante de désintégration, Je vous replace la formule.
C'est notre lambda ici. Eh bien, cette constante de désintégration est propre à un élément donné et elle est liée à sa période radioactive. Regardez sur ce graphique qui présente la quantité d'éléments pairs, ou fils, sur l'axe des Y, en fonction du temps sur l'axe des X. Imaginons que l'on a un élément pair au départ qui va commencer à se désintégrer. La quantité d'éléments pairs au départ est présente ici.
Nous sommes à 100%. Alors ? Puisque t est le temps nécessaire pour que la moitié de l'élément paire se désintègre en élément fils, vous le voyez graphiquement ici, au bout du temps t, on aura moitié moins d'élément paire, et la même quantité sera cette fois-ci constituée de l'élément fils. Ici, c'est la courbe de couleur orange.
Ça marche pour vous ? Vous me suivez ? Je pense que cette notion de temps de demi-vie est plus claire avec la forme graphique.
Et si le temps se poursuit maintenant, et... On le voit bien sur le graphique, on a à nouveau cette quantité d'éléments pair P, ici à 50% par rapport au départ, qui diminue à nouveau de moitié et qui se retrouve ici avec une quantité réduite à 25%. Vous voyez sur l'axe des X que l'on est au niveau de 2T.
Cette diminution correspond à une nouvelle période. Et la quantité d'éléments fils sur la courbe orange continue d'augmenter. Et ceci se poursuit au fur et à mesure que le temps passe. On aura de moins en moins d'éléments. et de plus en plus d'éléments fils issus de la désintégration des éléments pairs.
C'est ok ? Vous me suivez bien ? En termes d'application maintenant, regardez ici sur le graphique. À un moment t, que je prends au hasard, on va mesurer dans une roche une certaine quantité d'éléments pairs avec la double flèche violette et une certaine quantité d'éléments fils ici avec la double flèche orange.
Nous avons graphiquement la durée de la réaction sur l'axe des x, c'est-à-dire l'âge de la roche en question. Maintenant, si on connaît la période de désintégration et que l'on arrive à mesurer la proportion d'éléments paires restantes et la quantité d'éléments fils présentes dans la roche, alors on peut savoir depuis combien de temps se déroule la réaction de désintégration, c'est-à-dire l'âge de la roche. Bien, nous avons maintenant toutes les grandes bases. Je vous propose d'appliquer cela à partir d'un couple d'isotopes. Et un premier point à garder en tête, c'est qu'il va falloir déterminer Quel couple vous allez utiliser pour dater votre roche ?
Eh oui, il existe différents couples. Vous avez les couples potassium-argon, uranium-plomb ou encore rubidium-strontium. Et vous voyez dans la deuxième colonne de ce petit tableau les temps de demi-vie pour chacun de ces couples. Vous voyez qu'il existe des différences importantes de 1,25 milliard d'années pour le couple potassium-argon à 48,8 milliards d'années pour le couple rubidium-strontium.... Donc ici, un choix devrait être fait en fonction de l'échantillon donné.
Par exemple, pour des isotopes se désintégrant rapidement, dans un objet très ancien, on n'en trouvera plus et on ne pourra pas déterminer son âge. C'est logique. Appliquons tout cela avec l'exemple du couple rubidium-strontium. Le rubidium et le strontium sont deux éléments présents dans les minéraux des roches de la croûte continentale.
Le strontium présente deux isotopes stables. Le strontium-86... et le strontium-87.
Le rubidium, quant à lui, est radioactif. C'est un élément pair et il se désintègre en strontium-87, donc en élément fils ici. Maintenant, lorsqu'une roche magmatique est entièrement refroidie, donc que le système est dit fermé, comme nous l'avions vu auparavant dans cette vidéo, eh bien cette roche contient une certaine quantité de rubidium-87 radioactif se désintégrant en strontium-87. radiogénique suivant une demi-vie de 48,8 milliards d'années.
Je vous replace la loi physique de désintégration. PT égale à P0 fois E exponentielle moins lambda T. Voici le graphique précédent.
Il peut arriver quelquefois que tous les éléments chimiques fils ne soient pas issus de la désintégration de l'élément père. Il y en avait peut-être déjà au départ dans la roche. On va donc noter ici. C'est ce que l'on voit sur le graphique, que f de t, l'élément fils, est égal à p0, la quantité complète d'éléments pairs, moins pt. Mais s'il y avait déjà l'élément fils dans le système, on va rajouter à cette formule la quantité d'éléments fils qui était présente au départ.
Ici, je vous rajoute f0, une quantité potentiellement présente au départ. Si on reprend la formule de désintégration radioactive en remplaçant P0 par cette formule, on obtient alors la formule suivante. Ainsi, on exprime soit en fonction de l'élément fils, soit exprimé en fonction de l'élément père, quelque chose qui va nous permettre de dater la roche. On va remplacer dans la formule par les éléments pères et les éléments fils du couple rubidium-stroncium. C'est parti, donc on a le strontium 87 égale à rubidium 87, facteur de E lambda t moins 1, plus strontium 87, 0. On va travailler sur les roches en mesurant les rapports isotopiques, puisqu'on sait le faire avec le...
spectrophotomètre de masse. On va donc avoir la même équation mais avec des rapports isotopiques. Ainsi, on mesure le rapport strontium 87 sur strontium 86 et le rapport du couple isotopique de l'élément pair rubidium 87 sur l'élément fils strontium 86. Voici maintenant l'équation.
Je vous propose d'agrandir tout cela car ça commence à être dur à lire. Ici, on sait mesurer ce rapport ainsi que celui-ci puisque ce sont des rapports Isotopique. On a une inconnue ici, T, notre temps. Et on ne connaît pas non plus la quantité d'éléments fils qui était présente au départ. Peut-être était-elle nulle, ou peut-être pas.
Si elle n'est pas nulle, alors tous les éléments strontium 87 que l'on va retrouver ne sont pas forcément issus de la désintégration du rubidium. Alors, concrètement, comment on résout cela, sachant que l'on ne connaît ni T ni F0 ? Eh bien, tout simplement en travaillant sur un grand nombre de mesures.
Puisque les mesures étant issues d'une même roche, on va considérer que tous les minéraux formés au même moment ont capté pour se former le même rapport strontium 87 sur strontium 86. Et on va donc considérer que notre valeur ici est une constante. Je l'appelle petit b. Je vous transforme l'équation en écrivant le rapport comme une constante. Je place la lettre petit b. Et maintenant, ça vous fait peut-être tilt dans votre tête.
L'équation apparaît sous la forme d'une équation à fonction affine.... Vous voyez ici, y égale à x plus b. C'est une équation de droite, on l'appelle équation de droite isochrone. Sa pente est égale à a, notre coefficient directeur de la fonction affine, c'est-à-dire e lambda t moins 1. Ainsi, on peut déterminer t. Voici la formalisation.
Et vous voyez qu'en mesurant la pente de la droite, notre a, on peut calculer t. De plus, dans certains exercices, vous pouvez avoir une simplification. Ça peut vous aider puisque E lambda t moins 1 est pratiquement égal à lambda t.
On a alors A égal lambda t et donc t est égal à A sur lambda. On est donc ici dans le cas d'une résolution graphique où on peut résoudre l'inconnu qui nous intéresse, c'est-à-dire chercher et trouver t. C'est de cette manière que l'on utilise la radioactivité du rubidium pour dater des roches très anciennes. Je vous place maintenant en gros plan.
sur votre écran le type de graphique obtenu avec tous les éléments que l'on a vus ensemble. Sur chaque axe, vous avez des rapports isotopiques. Vous avez reporté graphiquement les valeurs pour différents minéraux de la roche.
Vous obtenez ainsi la courbe. Vous pouvez calculer le coefficient directeur A et ainsi déterminer T. On utilise ainsi la radioactivité du rubidium pour dater des roches très anciennes.
Ainsi, la datation absolue permet de donner un âge chiffré à une roche. La Terre est âgée de 4,6 milliards d'années et au cours de son histoire, elle a connu de nombreuses modifications, tant géologiques que biologiques. Les géologues ont pu découper son histoire en périodes grâce à différents critères.
En voici quelques exemples pour vous. Des critères paléontologiques indiquant à partir des registres fossiles l'apparition et la disparition de groupes et d'espèces fossiles. Des critères sédimentaires ou encore radiochronologiques ont permis au final d'établir un document assez précis représentant les limites des temps géologiques. Voici le document, il s'agit de l'échelle stratigraphique. Voyez qu'elle se subdivise en air, système, série et étage, avec des âges pour chaque couleur représentative d'un moment de l'histoire de la Terre.
Merci à tous pour votre attention, je vous rappelle que vous pouvez retrouver toutes ces informations dans le chapitre 6 du manuel Nathan spécialité SVT. Vous y retrouverez tout ce que l'on a vu dans la vidéo et bien plus encore. Chers élèves de Terminal, voici en quelques mots ce que vous devez connaître dans ce chapitre. Nous avons vu que les relations géométriques entre les différentes roches dans un paysage ou un affleurement permettaient de reconstituer la chronologie relative des structures ou des événements géologiques de différentes natures et à différentes échelles d'observation.
Nous avons vu qu'il existait différents principes comme celui de superposition, de recoupement ou encore d'inclusion. Il existe. Des fossiles appelés fossiles stratigraphiques, ayant évolué rapidement et présentant une grande extension géographique qui peuvent ...d'eux-mêmes, pour caractériser des intervalles de temps.
L'identification d'associations de fossiles identiques dans des roches de régions géographiquement très éloignées permet d'établir des corrélations temporelles entre ces roches. La désintégration radioactive est un phénomène continu et irréversible. La demi-vie d'un élément radioactif est caractéristique de cet élément.
Ainsi, la quantification d'un élément pair radioactif se désintégrant de manière continue et irréversible en élément fils radiogénique permet de déterminer l'âge des minéraux constitutifs d'une roche. Il existe différents chronomètres utilisés en géologie qui se distinguent par la période de l'élément. perd. Le choix d'un radiochronomètre dépend de sa période et de l'élément à dater.
Les datations sont réalisées sur des roches magmatiques ou métamorphiques en utilisant les roches totales ou leurs minéraux isolés. L'âge obtenu est celui de la fermeture du système considéré. Cette fermeture correspond à l'arrêt de tout échange entre le système considéré et l'environnement. Des températures de fermeture différentes pour différents minéraux expliquent que des mesures effectuées sur un même objet avec différents chronomètres puissent donner des valeurs différentes. Enfin, des coupures dans les temps géologiques ont pu être établies sur différents critères aboutissant à l'échelle stratigraphique.
La synthèse de l'ensemble des techniques de chronologie relative et de datation absolue permet de reconstituer des histoires géologiques de régions. Voilà, je vous place en bas à droite de votre écran la vidéo suivante sur ce même thème. Si vous voulez avoir plus d'informations sur l'épisode, cliquez donc juste en dessous.
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