Terminale spé SVT, chapitre 4: La datation des grands évènements de notre histoire

http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/spip.php?article2255

Comment connait-on l'histoire de la Terre et de la vie ?

Pour des évènements récents, la chronologie des êtres vivants nous sert de repère dans le temps. Par exemple, la disparition des dinosaures est un bon repère spatio-temporel: tous ont disparu en même temps et partout sur Terre. Cette méthode porte le nom de chronologie relative.

Mais lorsque la vie n'existait, on utilise la désintégration radioactive, dont le rythme est constant, d'éléments présents naturellement dans les roches. On parlera de chronologie absolue.

Plan du cours

• La chronologie absolue

• La chronologie relative

La chronologie absolue

Qu'appelle-t-on un géochronomètre ?

Notion de datation absolue des roches:

Exercice:

1. Tracez le graphique du rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr en fonction de ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr.
2. Déterminez graphiquement la pente de la droite.
3. Calculez l'age de la météorite sachant que l'âge de la roche = (ln(pente de la droite + 1))/ λ
4. Sachant que d'autres météorites ont permis de dater la formation de la Terre à 4,65 Ga, comparez l'âge de la météorite d'Allende avec celui de la Terre.

Inclusion de zircon dans un mica (la biotite)

2e_partie_exo_1_liban_2013_Age_croute_nord_ame_ricaine

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 Photo d'un cristal de Zircon

At 4.4 Billion Years Old, Oz Crystals Confirmed As World's Oldest

subscribe to Short Wave podcast Scientists have used a powerful new technique to prove that some tiny crystals found in Western Australia are indeed the oldest known materials formed on Earth. Back in 2001, scientists reported that one of the zircon crystals was about 4.4 billion years old - so old that not everyone believed it.

 Variation de la quantité de Rubidium et de Strontium dans un minéral

Evolution des courbes isochrones avec le temps

1- La chronologie absolue

Activités:

• Observer les auréoles liées à la désintégration de l’uranium dans les zircons au sein des biotites.

• Mobiliser les bases physiques de la désintégration radioactive

• Identifier les caractéristiques (demi-vie;distribution) de quelques chronomètres reposant sur la décroissance radioactive, couramment utilisés dans la datation absolue: Rb/Sr, K/Ar, U/Pb.

• Comprendre le lien, à partir d’un exemple, entre les conditions de fermeture du système (cristallisation d’un magma,ou mortd’un organisme vivant) et l’utilisation dechronomètres différents.

Méthode: Comment déterminer l’âge d’une roche avec le couple rubidium / strontium?

• Le ⁸⁷Rb est un isotope radioactif qui se désintègre en ⁸⁷Sr avec une période 48,8.10⁹ ans, soit une constante de désintégration égale à λ = 1,42.10^-11.an^-1

• Il existe aussi un isotope stable du Strontium le ⁸⁶Sr.

• La loi de désintégration conduit à l’équation suivante au temps « t » :

⁸⁷Sr_t = ⁸⁷Rb_t (e ^λt -1) + ⁸⁷Sr₀ (1)

Avec :

⁸⁷Sr_t = quantité de Strontium 87 présent lors de la mesure

⁸⁷Rb_t = quantité de Rubidium 87 présent lors de la mesure

⁸⁷Sr₀ = quantité de Strontium 87 initial (fermeture du système).

 

• Les quantités initiales de strontium 87 (⁸⁷Sr₀) et de rubidium (⁸⁷Rb₀) étant inconnues et variant d’un minéral à un autre, nous ne pouvons pas résoudre directement cette équation.

 

Nous allons utiliser une méthode graphique, basée sur le fait:

• que l’isotope ⁸⁶Sr est stable;
• et que les rapports (⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr)_t et (⁸⁷Rb / ⁸⁶Sr)_t sont mesurables avec du matériel sophistiqué (spectromètre de masse)

• Le rapport (⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr)₀ initial est inconnu;
  

• λ est connue

• « t » est la valeur que nous recherchons

 

De l’équation (1) nous pouvons écrire :

(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_t = (⁸⁷Rb/⁸⁶Sr)_t (e ^λt-1) + (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₀

C’est donc une équation de type y = a x + b

 

Pour laquelle la pente est :  a = e ^λt -1

 

Si nous plaçons plusieurs points pour les valeurs des rapports (⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr)_t et (⁸⁷Rb / ⁸⁶Sr)_t nous pouvons calculer graphiquement la valeur de la pente « a » et donc en déduire la valeur de t.

t=(ln(a + 1)) / λ

 

D'après: http://www.lyc-hautil-jouy.ac-versailles.fr/spip.php?article154

A retenir:

• La désintégration radioactive est un phénomène continu et irréversible; la demi-vie d’un élément radioactif est caractéristique de cet élément.

• La quantification de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique permet de déterminer l’âge des minéraux constitutifs d’une roche.

• Différents chronomètres sont classiquement utilisés en géologie. Ils se distinguent par la période de l’élément père.

• Le choix du chronomètre dépend de l’âge supposé de l’objet à dater, qui peut être appréhendé par chronologie relative.

• Les datations absolues sont effectuées 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 (minéral ou roche). Cette fermeture correspond à l’arrêt de tout échange entre le système considéré et l’environnement, par exemple quand un cristal solide se forme à partir d’un magma liquide.

• Des températures de fermeture différentes pour différents minéraux expliquent que des mesures effectuées sur un même objet tel qu’une roche, avec différents chronomètres, puissent fournir des valeurs différentes.
  

Le carbone 14

La vidéo du jour est un sujet que j'aime bien, qui permet de parler de physique, de chimie, de bio, d'archéologie et même de religions ! J'ai hésité à en dire plus sur la radioactivité, et puis je me suis dit que je ferai un épisode spécial sur le sujet.

2- La chronologie relative

Extrait de la carte géologique de Colmar-Artolsheim

Activités:

• Utiliser les relations géométriques pour établir une succession chronologique d’événements à partir d’observations à différentes échelles et sur différents objets (lames minces observées au microscope, affleurements, cartes géologiques).

• Observer une succession d’associations fossiles différentes dans une formation géologique et comprendre comment est construite une coupure stratigraphique (par exemple par l’étude des successions d’ammonites, de trilobites ou de foraminifères).

• Comprendre les modalités de construction de l’échelle stratigraphique; discuter les fondements et la validité des différents niveaux de coupures.

• Extraire des informations à partir de cartes géologiques; utiliser les apports complémentaires de la chronologie relative et de la chronologie absolue pour reconstituer une histoire géologique.

TP : Qu'est-ce qu'un bon fossile stratigraphique?

Échantillon d'ammonite sur le bureau :

• Qu’est-ce que c’est ? (Nom, fossile + def, …).
• En connaissez-vous aujourd’hui ?
• Un autre exemple très connu ?
• On parle de limite entre le Crétacé et le Tertiaire.
  
• N’y a-t-il eu que des espèces terrestres qui ont disparu à cette limite ?

Comment pourrions-nous montrer une modification des espèces marines il y a 65Ma ? 

Matériel :

• Marne du crétacé + marne du tertiaire.
• Loupe binoculaire
• Planche d’identification des Foraminifères
• Fossile d’ammonite
• Échantillon de marne + HcL + coupelle + pissette.

Activités : Etude de fossiles marins, dans les sédiments.

Définir une marne :

• Déposez une goutte d’acide chlorhydrique sur la marne : constat ?
• Dans la coupelle, déposez un peu de marne et d’eau, remuez : constat ?
• Définition de marne : roche meuble, composée de calcaire et d’argile.

Les foraminifères sont des protozoaires apparus au Cambrien dont le test (parfois baptisé, à tort, coquille), comprenant une ou plusieurs chambres (ou loculus ou loges), est muni d'un ou plusieurs foramen (orifice), d’où le nom de ce groupe. Ils ont un mode de vie benthique ou planctonique. Leur taille varie généralement de 38 µm à 1 mm (mais certains peuvent faire plus de 10 cm). Le test est une membrane protectrice très résistante en calcaire. Certaines espèces le renforce en y incorporant des grains de sable, la plupart sécrètent elles-mêmes le calcaire pour leur test.

Omniprésents dans les milieux marins, ils occupent de très nombreuses niches écologiques. Leur régime alimentaire est constitué de bactéries, d'algues, de larves de mollusques, de crustacés, de déchets variés.

Les foraminifères réagissent à tout changement de leur environnement et constituent en cela de bons marqueurs écologiques. Leurs populations peuvent croître ou diminuer, leur variété se transformer, les loges grandir ou se réduire.

International Commission on Stratigraphy

Click here ( PDF or JPG) to download the latest version (v2020/03) of the International Chronostratigraphic Chart. The explanatory article was published in September 2013 issue of Episodes (download from Episodes or ICS website).

Activité:

Faire l'inventaire la diversité passée de microfossiles marins appelés Foraminifères.

• Observez successivement les deux préparations à l’aide de la loupe binoculaire ;
• Repérez dans chacune de ces préparations, un fossile caractéristique, c’est-à-dire ne se trouvant pas dans l’autre préparation ;
• Appelez le professeur pour vérification ;
• A l’aide de l’ensemble des informations dont vous disposez, montrez que la biodiversité des foraminifères s’est modifiée entre le crétacé et le tertiaire.
  

Proportions des différents groupes de Foraminifères dans la série sédimentaire de Bidart (côte Basque).

d’après Bernard Peybernes, Marie-Josee Fondecave-Wallez, and Paule Eichene

Carte de l'anomalie gravitationnelle du cratère de Chicxulub

(La côte du Mexique apparaît en blanc)

La crique des Motels basques située au nord de Saint-Jean-de-Luz présente des séries de roches sédimentaires bien visibles à l’affleurement.

À partir des données du document, représenter à l’aide de schémas légendés les différents mécanismes géologiques qui se sont succédés pour aboutir à cet affleurement.

Document : Structure géologique observée à la crique des Motels basques

Les roches visibles à l’affleurement datent de -89 Ma (Coniacien), avant la formation des Pyrénées (-80 Ma à -40 Ma).

D’après le guide des curiosités géologiques de la côte basque, octobre 2014. D’après thèse CB Confavreux Université Lyon I, 2012

Enumérez, dons l'ordre chronologique, les différents évènements géologiques ayant affecté la région représentée par la coupe ci-dessous:

A retenir:

• Les relations géométriques (superposition, recoupement, inclusion) permettent de reconstituer la chronologie relative de structures ou d’événements géologiques de différentes natures et à différentes échelles d’observation.

• Les associations de fossiles stratigraphiques, fossiles ayant évolué rapidement et présentant une grande extension géographique, sont utilisées pour caractériser des intervalles de temps.

• L’identification d’associations fossiles identiques dans des régions géographiquement éloignées permet l’établissement de corrélations temporelles entre formations.

• Les coupures dans les temps géologiques sont établies sur des critères paléontologiques: l’apparition ou la disparition de groupes fossiles.

• La superposition des intervalles de temps, limités par des coupures d’ordres différents (ères, périodes, étages), aboutit à l’échelle stratigraphique.

International Commission on Stratigraphy

Click here ( PDF or JPG) to download the latest version (v2020/03) of the International Chronostratigraphic Chart. The explanatory article was published in September 2013 issue of Episodes (download from Episodes or ICS website).

Conclusion:

Depuis que l'Homme se questionne sur son histoire, il n'a eu de cesse de trouver des outils lui permettant de dater les évènements majeurs de cette histoire. La question de l'âge de la Terre et du rythme des extinctions ont longtemps fait débat dans la communauté scientifique. A partir du XIXe siècle, de nombreux géologues sont allés sur le terrains déterrer des fossiles et repérer les couches les unes par rapport aux autres. Cette activité a débouché sur l'élaboration des nombreuses cartes géologiques support d'une chronologie relative. Puis la physique nucléaire nous a permis de donner un âge absolu aux différents terrains. Ainsi, l'Homme connait aujourd'hui assez bien l'histoire de la vie et de la Terre.

Entrainement:

"La datation des roches de la croûte continentale"

Un étudiant en géologie retrouve dans une collection de roches, trois échantillons de granites provenant de Norvège, de Bretagne et de Basse Normandie. Il sait que l'échantillon le plus ancien est le granite norvégien. L'échantillon breton porte une étiquette « environ 300 millions d'années ». Il dispose de documents permettant de les dater.

• Vous devez l'aider à retrouver l'origine et l'âge des échantillons de granite.

• Exploitez les données afin de répondre au QCM sur la feuille annexe avec la copie.

Document 1a : principe de datation d'une roche avec le couple d'éléments rubidium / strontium

On mesure sur différents minéraux de ma roche étudiée la quantité de ⁸⁷Rb, ⁸⁶Sr, ⁸⁷Sr.
En reportant sur un graphique en abscisse le rapport ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr, et en ordonnée le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr pour chaque minéral étudié, on obtient une droite isochrone dont l'équation est :

Y = (e^λt - 1) x + b                  avec y = ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr      x = ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr

(λ étant la constante de désintégration radioactive spécifique du couple rubidium / strontium. Sa valeur n'est pas donnée car elle n'est pas utile pour l'exercice).

Document 1b : détermination de t à partir de (e^λt - 1)

Document 2 : droites isochrones correspondant aux 3 échantillons

D'après http://ansatte.uit.no/webgeology/webgeology_files/english/rbsr.html et "Comprendre et enseigner la planète Terre" OPHRYS Edition

1- La droite isochrone de l'échantillon C donne :

a)      (e^λt - 1) = 0,0254 ce qui permet de déduire un âge d'environ 1760 Ma.

b)     (e^λt - 1) = 0,00254 ce qui permet de déduire un âge d'environ 1760 Ma.

c)      (e^λt - 1) = 0,0254 ce qui permet de déduire un âge d'environ 142 Ma.

d)     (e^λt - 1) = 0,00254 ce qui permet de déduire un âge d'environ 142 Ma.

2- L'étude des droites isochrones a permis de déduire l'âge des échantillons. L'étudiant en a conclu que :

a)      L’échantillon A est plus ancien que l'échantillon B lui-même plus ancien que l'échantillon C.

b)     L’échantillon C est plus ancien que l'échantillon B lui-même plus ancien que l'échantillon A.

c)      L’échantillon B est plus ancien que l'échantillon A lui-même plus ancien que l'échantillon C.

d)     L’échantillon C est plus ancien que l'échantillon A lui-même plus ancien que l'échantillon B.

3- A partir de ces données, il a pu retrouver les lieux d'origine des échantillons :

a)      L’échantillon A provient de Bretagne, B de Norvège, C de Basse-Normandie.

b)     L’échantillon A provient de Basse-Normandie, B de Norvège, C de Bretagne

c)      L’échantillon A provient de Norvège, B de Basse-Normandie, C de Bretagne

d)     L’échantillon A provient de Basse-Normandie, B de Bretagne, C de Norvège.

Les Foraminifères de la limite

Les Foraminifères, des protozoaires: définition Les foraminifères sont des protozoaires apparus au Cambrien dont le test (parfois baptisé, à tort, coquille), comprenant une ou plusieurs chambres (ou loculus ou loges), est muni d'un ou plusieurs foramen (orifice). Ils ont un mode de vie benthique ou planctonique.