Datation géologique

Datation géologique

Durant des siècles, les humains n'ont fait que spéculer au sujet de l'âge de la Terre. Il n'y a pas si longtemps que nous pouvons l'estimer de façon sûre. Au XIX^e siècle, des géologues commencent à se rendre compte que les roches sédimentaires à la surface du globe ont bien dû mettre au moins quelques centaines de millions d'années avant de s'accumuler de la sorte. Puis, leur théorie se voit renforcée par la théorie de l'ÉVOLUTION de Charles Darwin, théorie selon laquelle la vie primitive s'est modifiée sur une très longue période de temps pour devenir complexe.

Le grand physicien lord Kelvin, lui, rejette catégoriquement cette théorie. Ses calculs, qui reposent sur l'évolution du refroidissement de la Terre, l'amènent à la conclusion qu'elle n'a que quelques dizaines de millions d'années. Toutes ces discussions prennent fin en 1896, lorsque le physicien français Henri Becquerel découvre la radioactivité. La radioactivité, présente dans divers types de roches, permet aux scientifiques de déterminer l'âge de la Terre, de la Lune, des météorites, des chaînes de montagnes et des bassins océaniques. Elle permet aussi d'établir une échelle des temps géologiques relativement précise. Il devient même possible d'établir la durée des inversions du champ magnétique de la Terre. La méthode « radiométrique » remplace alors toutes les autres techniques de calcul de l'âge absolu.

Horloge radiométrique

La plupart des atomes (chacun constitué d'un noyau entouré d'électrons) sont stables et destinés à exister indéfiniment. Certains atomes, cependant, sont instables. Leur noyau a tendance à émettre spontanément des particules, en d'autres mots, ils sont radioactifs. Ainsi, l'élément radioactif père change de nature et se transforme en un élément radiogénique fils distinct et stable. Ce changement se produit à un rythme connu déterminé par la demi-vie ou la période, c'est-à-dire le temps que requiert la moitié du stock initial d'atomes radioactifs pour se transformer en éléments descendants stables. À chaque demi-vie ou période, le nombre d'atomes radioactifs est réduit de moitié. Les éléments radioactifs servant à la datation géologique ont des périodes relativement longues. Par exemple, le rubidium 87, dont la période est de 50 milliards d'années, donne naissance au strontium 87. Ainsi, on peut calculer l'âge d'une roche en mesurant la quantité originelle de rubidium qui s'est transformée en strontium.

Les autres techniques de datation utilisent l'uranium 235, qui a une période de 713 millions d'années et se transforme en plomb 207; l'uranium 238, qui a une période de 4,5 milliards d'années et qui devient du plomb 206; le potassium qui a une période de 1,3 milliard d'années et qui devient de l'argon (et du calcium); et le samarium 147, qui a une période de 106 milliard d'années et qui devient du néodyme 143. Ces processus radioactifs présentent un ensemble d'horloges naturelles qui indiquent à quel moment la roche s'est formée ou a été chauffée la dernière fois à haute température. La datation par le carbone 14, bien connue, suppose que le carbone 14 radioactif, dont la période est de 5700 ans, s'est transformé en azote stable. Le carbone 14 sert à déterminer l'âge de la matière organique seulement et ne peut mesurer avec précision que l'âge de la matière vieille de moins de 50 000 ans (voir ARCHÉOLOGIE; GLACIATION).

Depuis 1950, les méthodes radiométriques se sont perfectionnées au Canada comme dans plusieurs autres pays. On sait maintenant que toutes les méthodes d'analyse des roches qui n'ont subi aucune modification au cours de l'évolution de la Terre parviennent au même résultat. Cette uniformité prouve que la méthode est fiable. Les différentes techniques de calcul de l'âge appliquées à des roches qui ont subi des modifications peuvent donner des lectures différentes. Beaucoup de recherches se poursuivent afin de savoir comment interpréter ces résultats. Souvent, il devient possible de déterminer l'âge de roches entièrement modifiées.

Quel âge a la Terre?

Dater de façon absolue l'âge d'une planète au diamètre de 12 740 km et recouverte à 70,8 p. 100 d'eau est chose bien difficile. Seule une petite fraction de la Terre, l'écorce, est accessible. Ces roches (les plus vieilles) qui nous permettent de faire des analyses ont été chauffées et comprimées de nombreuses fois au cours des milliards d'années où les continents dérivaient à la surface du globe et entraient en collision, formant des montagnes et de nouveaux fonds océaniques (voir ÉVOLUTION GÉOLOGIQUE).

Pour contourner tous ces obstacles, on a mis au point deux méthodes de datation des roches. La première, qui consiste à dater la plus grande partie possible de la croûte terrestre, repose sur le principe que la Terre doit certainement être plus vieille que ses plus vieilles roches. Samuel Bowring, du Massachusetts Institute of Technology, et ses homologues Ian Williams et William Compston, de l'Université de Canberra en Australie, ont prouvé qu'une petite région de roches métamorphiques du Nord du Canada, connue sous le nom de gneiss d'Acasta, constitue le plus ancien morceau intact de l'écorce terrestre. La méthode de datation par le couple uranium-plomb (U-Pb) a permis de dater des cristaux de zircons provenant du gneiss (situé au sud-est du Grand lac de l'Ours, dans les Territoire du Nord-Ouest) et prouvé qu'ils s'étaient formés il y a près de 4 milliards d'années, ce qui prouve que la Terre même a plus de 4 milliards d'années. Stephen Moorbath et ses collègues d'Oxford ont obtenu d'autres résultats qui confirment cette hypothèse. Ils ont prouvé que des roches près de Godthaab, dans le Sud-Est du Groenland ont été formées, ou existaient déjà, il y a 3,8 milliards d'années. Ces résultats sont confirmés par les datations rubidium-strontium, uranium-plomb et samarium-néodyme.

On a aussi trouvé des roches presque aussi vieilles au Labrador, au Minnesota, en Afrique et en Inde. Plusieurs scientifiques recherchent des roches encore plus anciennes. En 1983, des scientifiques australiens prétendent avoir découvert d'infimes cristaux de zircon vieux de 4,2 milliards d'années, mais comme ces cristaux se trouvent dans des sédiments beaucoup plus jeunes, ils n'en connaissent pas la provenance.

La deuxième méthode, plus indirecte, mais actuellement jugée exacte, consiste à comparer la Terre avec des météorites. Ces météorites venues d'ailleurs sont certainement tombées sur la Terre, creusant d'immenses cratères comme celui appelé le cratère du Nouveau-Québec (61° 17´ Nord, 73° 41´ Ouest). Selon toutes les datations (rubidium-strontium, potassium-argon, uranium-plomb et samarium-néodyme), les météorites se sont formées il y a environ 4,6 milliards d'années. Des études approfondies des isotopes de plomb dans les météorites et les roches terrestres indiquent fortement que la Terre et les météorites se sont formées en même temps.

Comme on calcule très précisément l'âge des météorites à 4,6 milliards d'années, la Terre aurait le même âge. Les échantillons lunaires prélevés lors des missions Apollo indiquent que la Lune aurait aussi le même âge. Donc, si la Terre, la Lune et les météorites ont tous 4,6 milliards d'années, il en va probablement de même de tout le système solaire.

Quel âge a le Bouclier canadien?

Les plus vieilles roches du Canada forment le Bouclier canadien (voir RÉGIONS GÉOLOGIQUES). De nombreux scientifiques du Canada et d'ailleurs étudient ces roches afin de mieux comprendre l'évolution de cette région. Le Bouclier est constitué de régions de roches d'âges différents. En plus du gneiss d'Acasta, il se trouve d'autres roches vieilles de 3,6 milliards d'années dans la baie de Saglek et près du fjord Hebron, au Labrador. D'autres gigantesques plaques sont vieilles, en milliards d'années, de 2,9 à 2,5, de 1,8 à 1,7 et de 1,3 à 0,9.

Certaines de ces régions sont la base d'anciennes chaînes de montagnes dont les sommets ont depuis longtemps été usés par l'ÉROSION. D'autres régions représentent des ceintures volcaniques, dont plusieurs qui n'ont jamais été profondément enfouies. Les scientifiques cherchent à comprendre si ces régions d'âge différent et d'évolution géologique différente sont depuis toujours à proximité l'une de l'autre ou si elles étaient éloignées jusqu'à ce que la dérive des continents ou la TECTONIQUE DES PLAQUES les rapproche. Les roches ignées du Bouclier canadien sont très anciennes, mais la formation de roches ignées est un processus continue au Canada. On estime de 90 ans à 350 ans, l'âge des roches formées par la coulée de lave de l'Aiyansh, en Colombie-Britannique. Ce calcul confirme les légendes du peuple Tsimshian de la rivière Nass, qui parlent d'éruptions volcaniques.

Échelle des temps de l'évolution biologique

Il semble probable que la vie ait existé sur la Terre depuis bien plus longtemps que 3 milliards d'années. En Afrique du Sud, on a identifié provisoirement des bactéries FOSSILESprovenant des sédiments de la série Fig Tree. Des scientifiques de l'U. Columbia, par la méthode samarium-néodyme, estiment l'âge des roches volcaniques associés à ces bactéries à 3,5 milliards d'années. D'autres scientifiques de l'U. de Toronto parviennent au même calcul par la datation potassium-argon. On croit que les plus anciens fossiles du Canada (2,5 milliards d'années) se trouvent dans les formations de stromatolite du lac Steep Rock, en Ontario. Dans les cherts de Gunflint du Sud de l'Ontario, vieux d'environ 1,9 milliard d'années, se trouve la plus grande diversité de microfossiles d'origine biologique. Cependant, les données fossilifères ne représentent bien que les 545 derniers millions d'années, puisque ce n'est qu'à partir de cette période que les organismes contiennent du phosphate dur ou du carbonate de calcium qui permettent de bien en préserver les restes fossiles.

Les paléontologistes divisent les 545 derniers millions d'années en trois époques : le paléozoïque, le mésozoïque et le cénozoïque. Chacune de ces époques se divise à son tour en périodes. Le calcul du temps représenté par chacune de ces périodes s'est fait essentiellement en datant les roches correspondantes par les méthodes potassium-argon, rubidium-strontium et uranium-plomb.

La vie humaine n'existe sur la Terre que depuis quelques millions d'années. En 1995, une expédition internationale dirigée par Meave Leakey, des Musées nationaux du Kenya, a découvert dans le Nord du Kenya des fragments de fossiles ressemblant au primate et qui semblaient posséder le potentiel de locomotion verticale comme l'ancêtre des humains (Australopithecus anamensis). L'âge de la cendre volcanique associée à ces fossiles a été estimé à l'Australian National University à l'aide d'une technique de datation au laser mise au point à l'U. de Toronto. Aujourd'hui nous savons avec certitude que le nombre d'années qui se sont écoulées depuis l'apparition des premières créatures ressemblant vaguement aux humains actuels représente moins d'un dixième d'un pour cent de l'âge de la Terre.