Principes de datation au radiocarbone

Un résumé par Richard Morlan.

Qu’est-ce que le radiocarbone ?

Il y a environ 75 ans, Williard F. Libby, professeur de chimie à l’université de Chicago, a prédit qu’un isotope radioactif du carbone, connu sous le nom de carbone 14, serait trouvé dans la nature. Le carbone étant fondamental pour la vie, puisqu’il est présent avec l’hydrogène dans tous les composés organiques, la détection d’un tel isotope pourrait constituer la base d’une méthode permettant de déterminer l’âge des matériaux anciens. En travaillant avec plusieurs collaborateurs, Libby a établi l’existence naturelle du radiocarbone en détectant sa radioactivité dans le méthane provenant des égouts de Baltimore. En revanche, le méthane fabriqué à partir de produits pétroliers n’avait aucune radioactivité mesurable.

Cette découverte signifiait qu’il existe trois isotopes naturels du carbone :

• carbone-12 (c12), comprenant 99% des atomes de carbone
• carbone-13 (c13), comprenant environ 1% des atomes de carbone
• carbone-14 (c14), représenté par un atome de carbone par billion

Alors que le carbone-12 et le carbone-13 sont des isotopes stables, le carbone-14 est instable ou radioactif.

Qu’est-ce que la datation au radiocarbone ?

Le carbone-14 est produit dans la haute atmosphère lorsque les rayons cosmiques bombardent les atomes d’azote. Les interactions atomiques qui s’ensuivent créent un apport constant de c14 qui se diffuse rapidement dans l’atmosphère. Les plantes absorbent le c14 ainsi que d’autres isotopes du carbone au cours de la photosynthèse, dans les mêmes proportions que dans l’atmosphère ; les animaux acquièrent du c14 en mangeant les plantes (ou d’autres animaux). Pendant la durée de vie d’un organisme, la quantité de c14 dans les tissus reste à l’équilibre puisque la perte (par désintégration radioactive) est équilibrée par le gain (par absorption via la photosynthèse ou la consommation de carbone fixé organiquement). Cependant, lorsque l’organisme meurt, la quantité de c14 diminue de telle sorte que plus le temps écoulé depuis la mort est long, plus les niveaux de c14 dans les tissus organiques sont faibles. C’est l’horloge qui permet de convertir les niveaux de c14 dans les échantillons organiques archéologiques, géologiques et paléontologiques en une estimation du temps.

La mesure du taux de désintégration radioactive est connue sous le nom de sa demi-vie, c’est-à-dire le temps qu’il faut pour que la moitié d’un échantillon se désintègre. Libby a calculé la demi-vie du c14 comme étant de 5568 ± 30 ans. Cela signifie que la moitié du c14 s’est désintégrée lorsqu’un organisme est mort depuis 5 568 ans, et que la moitié du reste s’est désintégrée 11 136 ans après la mort, etc. La diminution des niveaux de désintégration signifie que la limite effective de l’utilisation du c14 pour estimer le temps est d’environ 50 000 ans. Après cette période, il ne reste que peu ou pas de c14. Des travaux ultérieurs ont montré que la demi-vie du radiocarbone est en fait de 5 730 ± 40 ans, soit une différence de 3 % par rapport à la demi-vie de Libby. Cependant, pour éviter toute confusion, tous les laboratoires de radiocarbone continuent à utiliser la demi-vie calculée par Libby, en l’arrondissant parfois à 5570 ans.

Qu’est-ce qui peut être daté ?

Toute matière organique disponible en quantité suffisante peut être préparée pour la datation au radiocarbone. Les méthodes modernes d’AMS (spectroscopie de masse par accélérateur) nécessitent des quantités minuscules, environ 50 mg. La technologie AMS nous a permis de dater de très petits échantillons (tels que des graines) qui étaient auparavant impossibles à dater. Comme il existe des limites pratiques à la fourchette d’âge de la méthode, la plupart des échantillons doivent être plus jeunes que 50 000 ans et plus vieux que 100 ans. La plupart des échantillons nécessitent un prétraitement chimique pour garantir leur pureté ou pour récupérer des composants particuliers du matériau. L’objectif du prétraitement est de s’assurer que le carbone analysé est natif de l’échantillon soumis à la datation. Le prétraitement vise à éliminer de l’échantillon tout carbone contaminant qui pourrait donner une date inexacte. Des acides peuvent être utilisés pour éliminer les carbonates contaminants. Des bases peuvent être utilisées pour éliminer les acides humiques contaminants.

Certains types d’échantillons nécessitent un prétraitement plus important que d’autres, et ces méthodes ont évolué au cours des 50 premières années de la datation au radiocarbone. Par exemple, il était autrefois courant de simplement brûler des os entiers, mais les résultats ont fini par être considérés comme peu fiables. Les méthodes chimiques de séparation des composants organiques (collagène) et inorganiques (apatite) de l’os ont permis de dater les deux composants et de comparer les résultats. La fraction collagène donne généralement des dates plus fiables que la fraction apatite (voir Dates sur les os).

Comment mesure-t-on le radiocarbone ?

En plus de divers prétraitements, l’échantillon doit être brûlé et converti en une forme adaptée au compteur. L’échantillon doit être détruit afin de mesurer sa teneur en c14.

Les premières mesures du radiocarbone ont été effectuées dans des compteurs Geiger à écran avec l’échantillon préparé pour la mesure sous une forme solide. On s’est vite aperçu que ces dates dites « à carbone solide » donnaient des âges un peu plus jeunes que prévu, et il y avait de nombreux autres problèmes techniques liés à la préparation des échantillons et au fonctionnement des compteurs. Les compteurs proportionnels à gaz ont rapidement remplacé la méthode du carbone solide dans tous les laboratoires, les échantillons étant convertis en gaz tels que le dioxyde de carbone, le disulfure de carbone, le méthane ou l’acétylène. De nombreux laboratoires utilisent maintenant des compteurs à scintillation liquide, les échantillons étant convertis en benzène. Tous ces types de compteurs mesurent la teneur en C-14 en surveillant le taux de désintégration par unité de temps.

Une innovation plus récente est le comptage direct des atomes de c14 par les spectromètres de masse à accélérateur (AMS). L’échantillon est transformé en graphite et monté dans une source d’ions à partir de laquelle il est pulvérisé et accéléré à travers un champ magnétique. le champ dévie différemment les atomes de différentes masses (les atomes plus lourds dévient moins). Les cibles accordées à différentes masses atomiques comptent le nombre d’atomes c12, c13 et c 14 dans un échantillon.

Quelles sont les limites d’âge de la datation au radiocarbone ?

De nombreux échantillons signalés comme « modernes » ont des niveaux de radioactivité qui sont indiscernables des normes modernes telles que l’acide oxalique. En raison de la contamination due aux essais de bombes, certains échantillons sont même plus radioactifs que les normes modernes. D’autres échantillons très jeunes peuvent se voir attribuer des limites maximales, comme 40 000 ans. Les échantillons très anciens ont une radioactivité tellement faible qu’ils ne peuvent pas être distingués de manière fiable du rayonnement de fond. Très peu de laboratoires sont capables de mesurer des âges de plus de 40 000 ans.

Pourquoi les dates de radiocarbone ont-elles des signes plus ou moins ?

Plusieurs aspects de la mesure du radiocarbone ont des incertitudes intégrées. Chaque laboratoire doit tenir compte du rayonnement de fond qui varie géographiquement et dans le temps. La variation du rayonnement de fond est contrôlée par des mesures régulières d’étalons tels que l’anthracite (charbon), l’acide oxalique et certains matériaux d’âge connu. Les normes offrent une base pour interpréter la radioactivité de l’échantillon inconnu, mais il y a toujours un degré d’incertitude dans toute mesure. Comme le comptage de la désintégration enregistre des événements aléatoires par unité de temps, l’incertitude est un aspect inhérent à la méthode.

La plupart des laboratoires expriment l’incertitude à un écart-type (± 1 sigma), ce qui signifie qu’il y a une probabilité d’environ 67 % que l’âge réel de l’échantillon se situe dans la fourchette indiquée, disons ± 100 ans. La plupart des laboratoires ne tiennent compte que des statistiques de comptage, c’est-à-dire de l’activité de l’échantillon, des normes et du fond, lorsqu’ils établissent les limites à 1 sigma. Cependant, certains laboratoires prennent en compte d’autres variables telles que l’incertitude de la mesure de la demi-vie. Deux laboratoires, la Commission géologique du Canada et l’Université de Waterloo, suivent une pratique non conventionnelle en indiquant des erreurs de 2 sigma, ce qui implique une probabilité d’environ 95 % que l’âge réel de l’échantillon se situe dans la fourchette indiquée. Certains laboratoires imposent une valeur minimale à leurs termes d’erreur.

La plupart des laboratoires utilisent un critère de 2-sigma pour établir les âges minimum et maximum. Conformément à sa pratique consistant à citer des erreurs à 2 sigmas pour les dates dites finies, la Commission géologique du Canada utilise un critère à 4 sigmas pour les dates non finies.

Que signifie BP ?

Les premières dates radiocarbone rapportées avaient leurs âges calculés à l’année près, exprimés en années avant le présent (BP). Il est vite apparu que la signification de BP changerait chaque année et qu’il faudrait connaître la date de l’analyse pour comprendre l’âge de l’échantillon. Pour éviter toute confusion, une convention internationale a établi que l’année 1950 serait adoptée comme point de référence pour l’expression BP. Ainsi, BP signifie années avant A.D. 1950.

Certaines personnes continuent à exprimer les dates du radiocarbone par rapport au calendrier en soustrayant 1950 de l’âge rapporté. Cette pratique est incorrecte, car on sait maintenant que les années radiocarbone ne sont pas équivalentes aux années calendaires. Pour exprimer une date radiocarbone en années calendaires, elle doit être normalisée, corrigée au besoin pour les effets de réservoir et calibrée.

Quelle est l’importance de l’association ?

Les dates radiocarbone ne peuvent être obtenues qu’à partir de matériaux organiques, et de nombreux sites archéologiques offrent peu ou pas de préservation organique. Même si la préservation organique est excellente, les matériaux organiques eux-mêmes ne sont pas toujours les éléments les plus intéressants pour l’archéologue. Cependant, leur association avec des éléments culturels tels que des restes de maisons ou des foyers peut faire de substances organiques telles que le charbon de bois et les os des choix appropriés pour la datation au radiocarbone. Un problème crucial est que la date résultante ne mesure que le temps écoulé depuis la mort d’une plante ou d’un animal, et il appartient à l’archéologue d’enregistrer les preuves que la mort de l’organisme est directement liée ou associée aux activités humaines représentées par les artefacts et les caractéristiques culturelles.

De nombreux sites de l’Arctique canadien contiennent du charbon de bois dérivé de bois flotté qui a été collecté par les anciens et utilisé comme combustible. Une date radiocarbone sur du bois flotté peut être plusieurs siècles plus ancienne que prévu, car l’arbre peut être mort des centaines d’années avant d’être utilisé pour allumer un feu. Dans les zones forestières, il n’est pas rare de trouver des racines carbonisées d’arbres s’étendant vers le bas dans des matériaux archéologiques enterrés à des niveaux plus profonds dans un site. Le charbon de bois de ces racines peut être le résultat d’un feu de forêt qui s’est produit des centaines d’années après que les matériaux archéologiques ont été enterrés, et une date radiocarbone sur ce charbon de bois donnera un âge plus jeune que prévu.

Dates sur les os

L’os est le deuxième matériau choisi pour la datation radiocarbone, après le charbon de bois. Il offre certains avantages par rapport au charbon de bois. Par exemple, il est souvent plus facile de démontrer une association sûre entre les os et les artefacts que de démontrer un lien certain entre le charbon de bois et les artefacts. En effet, de nombreuses études cherchent à déterminer le moment de la mort d’un animal, et il n’y a pas de question concernant l’association si l’échantillon est constitué du ou des os de l’animal.

Cependant, l’os présente des défis particuliers, et les méthodes de prétraitement des échantillons d’os, de bois, de corne et de défense ont subi de profonds changements au cours des 50 dernières années. Au départ, la plupart des laboratoires se contentaient de brûler des os entiers ou des fragments d’os, conservant dans l’échantillon le carbone organique et inorganique natif de l’os, ainsi que les contaminants carbonés éventuellement présents. En effet, on pensait, apparemment par analogie avec le charbon de bois élémentaire, que l’os convenait à la datation au radiocarbone « lorsqu’il était fortement carbonisé » (Rainey et Ralph, 1959 : 366). Les datations d’os produites par de telles méthodes sont très suspectes. Il est plus probable qu’elles se trompent sur le côté jeune, mais il n’est pas possible de prédire leur fiabilité.

Le développement de méthodes chimiques permettant d’isoler le carbone des constituants organiques et inorganiques de l’os a constitué une avancée majeure. Berger, Horney, et Libby (1964) ont publié une méthode d’extraction du carbone organique de l’os. De nombreux laboratoires ont adopté cette méthode qui produisait une gélatine présumée être principalement constituée de collagène. Cette méthode est appelée « extraction du collagène insoluble » dans cette base de données. Longin (1971) a montré que le collagène pouvait être extrait sous une forme soluble qui permettait un plus grand degré de décontamination de l’échantillon. De nombreux laboratoires ont adopté la méthode de Longin, appelée « extraction de collagène soluble » dans cette base de données.

C.V. Haynes (1968) a présenté une méthode d’extraction du carbone inorganique de l’os. Cette méthode était considérée comme adaptée à une utilisation dans des régions où le collagène est rarement ou mal conservé dans les os. Des recherches ultérieures ont mis en doute la fiabilité de cette méthode. Hassan et d’autres (1977 ; Hassan et Ortner, 1977) ont montré que le carbone inorganique contenu dans l’apatite des os est très susceptible d’être contaminé par du carbone plus jeune ou plus ancien dans l’environnement d’enfouissement. Il apparaît maintenant que les extractions de collagène insoluble se trompent généralement sur le côté jeune, si tant est qu’elles le fassent (Rutherford et Wittenberg, 1979), alors que l’apatite osseuse peut produire des âges soit plus vieux, soit plus jeunes que l’âge réel, souvent par une marge considérable.

Des recherches en cours ont continué à affiner les méthodes d’extraction du collagène, en particulier à partir de petits échantillons destinés à la datation AMS. Par exemple, D.E. Nelson et ses collaborateurs ont expérimenté des modifications de la méthode de Longin, y compris l’utilisation de l’ultra-filtration pour isoler les composants en « deux fractions de poids moléculaires nominaux >30 kD et <30 kD (kilo-Daltons) » (Morlan, et al. 1990 : 77 ; Brown, et al. 1988 ; Nelson, et al. 1986). T.W. Stafford (1990 ; Stafford, et al. 1987) a extrait des acides aminés des os et a mesuré leurs âges séparément. Hedges et Van Klinken (1992) passent en revue d’autres avancées récentes dans le prétraitement des os.

Pourquoi les dates radiocarbone nécessitent-elles un étalonnage ?

L’une des hypothèses initiales de la méthode était que le taux de production du radiocarbone est constant. On sait maintenant que cette hypothèse est incorrecte, ce qui signifie que les années radiocarbone ne sont pas équivalentes aux années civiles. Les variations à long terme du taux de production semblent correspondre aux fluctuations de l’intensité du champ magnétique terrestre. Les variations à court terme, les « ondulations », sont connues sous le nom d’effet de Vries (d’après Hessel de Vries) et peuvent être liées aux variations de l’activité des taches solaires.

La collaboration internationale de nombreux laboratoires a permis d’obtenir des courbes d’étalonnage de plus en plus fines. Minze Stuiver, l’un des étudiants de de Vries, a été un leader majeur dans cet effort. Le dernier ensemble de données d’étalonnage, connu sous le nom de INTCAL98, relie l’enregistrement daté des cernes des arbres à la datation à l’uranium-thorium des coraux et enfin aux chronologies des varves terrestres pour obtenir un étalonnage sur l’intervalle 0-24 000 ans. CALIB 4.0 est un programme informatique basé sur INTCAL98.

La nécessité de calibrer les dates radiocarbone dépend de l’objectif poursuivi. Certaines études peuvent être menées entièrement en termes d’années radiocarbone. D’autres études, comme celles axées sur les taux de changement, peuvent nécessiter des calibrations plus ou moins précises.

Que sont les effets de réservoir ?

On trouve des exemples de réservoirs de carbone dans l’atmosphère, la lithosphère (la croûte terrestre), les océans et la biosphère (organismes vivants). Les plantes terrestres et les chaînes alimentaires qu’elles soutiennent acquièrent la majeure partie de leur carbone dans l’atmosphère, tandis que les chaînes alimentaires marines acquièrent du carbone principalement dans les océans. Environ 7,5 kg de C-14 sont produits chaque année dans la haute atmosphère, et son mélange avec le carbone des océans est moins complet que son mélange avec le carbone atmosphérique. Le flux ascendant des eaux profondes des océans apporte également du carbone ancien, non radioactif, aux eaux de surface. Par conséquent, les organismes marins sont relativement appauvris en C-14, et les plantes et animaux marins modernes peuvent donner des âges apparents de plusieurs centaines d’années. Cette divergence est appelée l’effet réservoir.

On pensait autrefois que l’effet réservoir était d’environ 400 ans dans tous les océans, mais on sait maintenant que la taille de cet effet varie géographiquement et dans le temps. Chaque étude régionale qui emploie des dates de radiocarbone sur des organismes marins doit établir le facteur de correction approprié pour cette région.

Qu’est-ce que l’effet Suess ?

Hans Suess a été le premier à souligner que la combustion de combustibles fossiles a une profonde influence sur les réservoirs de carbone. Ces combustibles, obtenus à partir de la croûte terrestre, sont si anciens qu’ils ne contiennent pas du tout de C-14. Certains de ces matériaux sont d’ailleurs utilisés comme étalons pour permettre aux laboratoires de contrôler le rayonnement de fond. Lorsque les combustibles sont brûlés, leur carbone est libéré dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone et de certains autres composés. La libération annuelle de ce carbone « mort » s’élève à environ 5 000 000 000 000 000 kg par rapport aux 7,5 kg de C-14 produits annuellement par le rayonnement cosmique dans la haute atmosphère.

Qu’est-ce que le fractionnement isotopique ?

Lors de la photosynthèse, les plantes discriminent les isotopes les plus lourds du carbone, en prenant proportionnellement moins de C-13 et de C-14 que ce qui est disponible dans leur réservoir de carbone. Il en résulte un fractionnement isotopique, qui est transmis aux consommateurs des plantes (les herbivores) et à leurs consommateurs (les carnivores). En fait, un fractionnement supplémentaire se produit lorsque les herbivores mangent les plantes et lorsque les carnivores mangent les herbivores. On pense que tous les organismes discriminent le C-14 environ deux fois plus que le C-13, et le rapport entre les atomes stables C-12 et C-13 peut être utilisé pour corriger l’épuisement initial du C-14. Les dates radiocarbone peuvent être corrigées pour tenir compte du fractionnement isotopique, une correction appelée normalisation. L’importance du fractionnement isotopique dépend de la voie de photosynthèse utilisée par la plante. La plupart des plantes à fleurs, des arbres, des arbustes et des herbes des zones tempérées sont connus comme des plantes C3, car ils créent une molécule avec trois atomes de carbone en utilisant le cycle photosynthétique de Calvin-Benson. Les graminées adaptées aux régions arides, comme l’herbe à bison (Bouteloua) et le maïs (Zea), sont des plantes C4, car elles créent une molécule à quatre atomes de carbone grâce au cycle de Hatch-Slack. Les plantes C3 discriminent plus fortement les isotopes de carbone les plus lourds que les plantes C4.

Comment les dates de radiocarbone sont-elles normalisées ?

La normalisation est une correction du fractionnement isotopique. Elle est basée sur le rapport entre C-12 et C-13, appelé δ13C, qui est exprimé en parties par mil (parties par mille) par rapport à un standard connu sous le nom de Pee Dee Belemnite (PDB). La bélemnite est un fossile calcaire du Crétacé trouvé à Pee Dee, en Caroline du Sud. La plupart des matières organiques contiennent moins de C-13 que la PDB, ce qui donne des valeurs négatives pour le δ13C. Par exemple, la plupart des plantes C3 ont des ratios de C-13 proches de -25 parties par mil, alors que les ratios de C-13 des plantes C4 sont de l’ordre de -10 à -12,5 parties par mil. Les herbivores sont moins sélectifs vis-à-vis des isotopes les plus lourds, et leur collagène osseux est enrichi de 5 parties par mil par rapport à leur régime alimentaire. Un autre changement se produit chez les carnivores, dont le collagène osseux s’enrichit d’une partie supplémentaire par millième. Les plantes marines sont semblables aux plantes C3, mais elles obtiennent leur carbone à partir de bicarbonates océaniques dissous qui diffèrent de l’atmosphère par leurs rapports isotopiques, et cette différence est transmise à la chaîne alimentaire marine.

Les dates de radiocarbone peuvent être normalisées à n’importe quelle valeur choisie, et la valeur choisie par convention internationale est -25 parties par mil basée sur une norme de chêne internationalement acceptée. Chaque partie par mil de différence par rapport à -25 équivaut à 16 ans. Par exemple, le collagène osseux des mammifères marins a généralement un rapport C-13 de -15 parties par mil. Cette différence de 10 parties par mil par rapport à la norme du chêne signifie que l’âge de l’os de mammifère marin peut être normalisé en ajoutant 160 ans à son âge mesuré.

Qu’en est-il si le rapport C-13 est inconnu ?

Si le δ13C n’a pas été mesuré pour un échantillon donné, il peut être estimé sur la base de milliers de mesures de ce type qui ont déjà été rapportées. Cependant, cette estimation apporte un degré supplémentaire d’incertitude qui se traduit par un terme d’erreur dans les formules de correction. Les corrections pour le fractionnement isotopique dans les matériaux couramment datés sont résumées ci-dessous :

Matériau	δ13C	PPM
Tourbe, humus	-27	35 ± 95
charbon, bois	-25	0
graisse de mammifère marin	-23	20 ± 35
collagène terrestre	-…20	80 ± 20
collagène de bison	-20	80 ± 20
collagène humain	-19	100 ± 20
collagène marin	-15	160 ± 20
maïs	-10	245 ± 20
apatite osseuse	-10	245 ± 35
coquilles d’eau douce	-8	275 ± 50
coquilles marines	0	410 ± 70

Il est important de noter que les formules pour le collagène de bison et le collagène humain ne donnent que des corrections minimales. Dans le cas du bison, on ne peut pas savoir, à moins que le δ13C ait été mesuré, la proportion de plantes C4 qui composait le régime alimentaire de l’animal. La valeur estimée, -20 parties par mil, ne donne une correction adéquate que si l’animal n’a jamais consommé de plantes C4. De la même manière, la valeur estimée pour le collagène humain, -19 parties par mil, donne une correction adéquate pour les humains qui n’ont consommé aucune ressource marine, aucun bison mangeur de plantes en C4, et aucun maïs. Une augmentation de l’une de ces ressources alimentaires enrichirait le rapport C-13 au-dessus de -19 et rendrait la correction de l’âge trop faible de 16 ans pour chaque partie par mil de changement dans le rapport.