Thème 3 : la terre un astre singulier L'histoire de l'âge de notre planète Les grandes étapes de l'étude de l'âge de la Terre
1. De l’Antiquité jusqu’au siècle des Lumières
Dès l’Antiquité, on pensait que la Terre et l’Univers avaient toujours existé. Sans commencement, on n’attribuait pas d’âge à notre planète.
L’idée d’une naissance de la Terre est apportée par les religions monothéistes et le dogme* de la Création, mais aucun texte religieux ne la date.
Toutefois, du Moyen-Âge jusqu’au XVIIIème siècle, des érudits tentèrent de calculer l’âge de la Terre à partir des informations contenues dans la Bible.
Parmi les datations célèbres, on notera l’étonnante précision proposée par l’archevêque James Ussher en 1650 : pour lui, la Terre est née à midi le 23 octobre en 4004 av.J-C.
En effet, les scientifiques avaient pour obligation de faire concorder le résultat de leurs recherches sur l’âge de la Terre aux affirmations bibliques. Ainsi,
• Johannes Kepler, astronome allemand connu pour sa thèse sur l’héliocentrisme, estima que la Terre ( et la Vie ) était née en 3993 avant JC.
• Isaac Newton, scientifique anglais connu pour ses lois de la gravité, estima l’âge de la Terre à 3998 avant JC.
Si nous rajoutons deux millénaires, les créationnistes estiment que la Terre, et ses êtres vivants qui la peuplent, sont âgés actuellement de 6000 ans.
*Un dogme est une affirmation établie comme une vérité fondamentale, incontestable. Le doute n’est alors pas permis.
La science, elle, remet régulièrement son contenu en doute.
Une science, contrairement à une croyance, se base sur des faits vérifiables. Autrement dit, la science peut se justifier (via la démarche expérimentale) contrairement à la croyance.
Rappel : démarche scientifique
Une petite parabole
2. La démarche expérimentale et l’âge de la terre
Au XVIIIème siècle, âge de la révolution scientifique (siècle des lumières) émergent les premières démarches scientifiques.
Edmund Halley (1656-1742) avança que les océans n’avaient pas toujours été salés et que la salinité s’est acquise par le transport de solutés (ions) des rivières et des fleuves se concentrant ainsi au niveau des océans.
Il supposa à son époque, par ce simple constat, que les âges de la Terre
proposés à son époque devaient être erronés et plus grands
.
Il faudra 2 siècles de recherches débats et controverses pour élucider
l’épineuse question de l’âge de la terre !
a) Les apports de la géologie au XVIIIème siècle (page 202)
Au XVIIème siècle, la stratigraphie, soit l’étude des strates de roches sédimentaires (telles que le calcaire ou les marnes), permet de relier l’épaisseur d’une couche de sédiments devenus roche au temps nécessaire à son dépôt. Le taux de sédimentation est alors considéré constant et de l’ordre de 1 cm / an.
Les sédiments sont des débris organiques et/ou minéraux, issus de l’érosion et qui se déposent dans des zones calmes (le plus souvent au fond de l’eau : océans, mers, lacs…), s’accumulent en se superposant, se compactent sous l’effet de la pression et se cimentent pour former des roches sédimentaires.
Mises à l’affleurement ces roches sont directement observables, elles forment des couches (« strates ») superposées, où la plus profondes est la plus anciennement déposées. (Principe de superposition)
Ces couches peuvent être déformées par les contraintes tectoniques (à SPE) (principe de recoupement)
• Georges-Louis Leclerc de Buffon, dit Buffon, grand naturaliste bourguignon du XVIIIème siècle (et père de la zoologie), estime que l’âge des roches calcaires alpines à plusieurs millions d’années. Cela ne correspond pas à l’âge biblique calculé précédemment.
• Georges Cuvier, grand biologiste franc-comtois, considéré comme le père de la
paléontologie, a étudié pléthores de fossiles. Aussi, il admet que les fossiles ont l’âge des roches qui les contiennent. (Principe d’identité paléontologique)
• Selon le principe d’actualisme, érigé par le géologue écossais James Hutton, les
phénomènes du passé se reproduisent de la même manière que ceux du présent. Par extension, les espèces du passé ont le même mode de vie que les espèces actuelles qui leur ressemblent.
Par principe d’actualisme, les fossiles nous renseignent sur les conditions du passé. Ainsi, des dents de requin retrouvées dans les Alpes, interprétées au Moyen-Âge comme les preuves du déluge, attestent vraisemblablement de l’existence d’un océan aujourd’hui disparu.
Vers la terminale SPE
Plusieurs « principes » ont été énoncés, ils ont permis l’étude des strates et leur datation RELATIVE (les unes par rapport aux autres : qui est la plus vieille) et, ainsi, la reconstitution des évènements géologiques passés
« Le principe d’actualisme » : les lois régissant les phénomènes géologiques actuels étaient également valables dans le passé"
Les études stratigraphiques permettent de prendre conscience que la Terre s’est transformée et que les bouleversements qu’elle a subis se sont produits sur une longue échelle de temps.
b) Les apports des sciences physiques au XVIIIème siècle et au XIXème siècle (pages200/201) À partir du XVIIIe siècle, les scientifiques commencèrent à séparer science et religion.
• Buffon est le premier à proposer une méthode scientifique basée sur un modèle théorique pour dater la Terre en évaluant
expérimentalement son temps de refroidissement.
En travaillant sur le taux de
refroidissement de boules de métal chauffées, assimilant notre planète à une boule en fusion qui se refroidit continuellement depuis sa création, et connaissant le rayon de la Terre (6371 km), il déduit un âge de l’ordre de 100 000 ans.
Cependant Buffon établit son raisonnement sur le refroidissement d’une sphère homogène et d’un transfert thermique uniquement par conduction… Nous savons aujourd’hui que la
structure de la terre est hétérogène, constituée de couches concentriques de natures et propriétés physiques différentes et que la convection intervient dans le refroidissement de la terre
• Sir William Thomson, mieux connu sous le nom de Lord Kelvin, physicien irlandais né à Belfast, concepteur de la notion du zéro absolu, reprend cette idée et se base sur le gradient
géothermique de la Terre et l’équation de la chaleur pour calculer le temps de refroidissement de la planète Terre. Il arrive alors à un âge de 20 à 400 millions d’années.
Cependant kelvin néglige les phénomènes de convection et l’existence d’une source de chaleur interne, la variation du gradient géothermique n’est pas constante avec la profondeur…
Néanmoins, une controverse scientifique oppose la naturaliste Charles Darwin au physicien Lord Kelvin.
c) Biologistes VS physiciens (page 203)
En effet, l’auteur anglais de l’évolution des espèces, considère que l’évolution de la faune et de la flore n’a pas pu s’effectuer en un temps aussi court...
Il évoque alors un âge de l’ordre de 300 millions d’années, s’attirant les foudres de l’Église et de nombreux scientifiques, dont kelvin.
NB : L’idée de Halley sur l’étude de la salinité des océans est reprise par John Joly (1857-1933), il estime l’âge de la formation des océans à 90 MA.
Un modèle simple mais hélas erroné qui ne prend pas en compte les processus de pertes. En fait la salinité des océans a peu varié depuis 2 GA. Mais cette estimation encourage les défenseurs de l’hypothèse de Darwin d’une dation évaluée en millions d’années à poursuivre l’enquête !
3. Les travaux sur la radioactivité au XXème siècle les départageront à titre posthume.
a) Les apports de la radioactivité au XXème siècle : De nouvelles datations de notre planète La découverte de la radioactivité, par le physicien parisien Henri Becquerel en 1896, relance le débat sur l’âge de la Terre et remet en cause les résultats de Lord Kelvin.
La datation des roches est réalisée par radiochronologie selon le principe que les éléments radioactifs instables se transforment en éléments radiogéniques stables par désintégration
radioactive. Autrement dit, un élément radioactif père est instable et se désintègre spontanément au cours du temps en produisant un élément fils non radioactif.
Or, il existe une période, appelée également demi-vie, de l’élément radioactif. En effet, le temps est toujours le même pour qu’un élément radioactif se désintègre de moitié, c’est-à-dire, qu’à chaque intervalle T, l’élément se divise en 2. Ainsi, le temps de demi-vie ou période, est le temps que met la moitié du nombre d’éléments de l’échantillon à se désintégrer en éléments fils.
On est face à une horloge extrêmement fiable pour calculer l’âge des roches de la Terre. L’âge que l’on peut calculer correspond à la fermeture du système, c'est-à-dire au moment où plus aucun élément père ne peut être apporté ou soustrait à l’échantillon (mort de l’être vivant ou cristallisation des minéraux de la roche)
Ainsi, grâce à la radiochronologie, il est désormais possible de dater une roche.
La méthode s’appuie sur la décroissance naturelle des éléments radioactifs instables au cours du temps.
On sait désormais que les éléments radioactifs des roches terrestres libèrent de la chaleur en se désintégrant, ce qui ralentit le refroidissement de la planète et explique les erreurs de kelvin !
• Le physicien néo-zélandais Ernest Rutherford estime alors une date de 140 millions d’années pour l’âge de la Terre.
Pour dater des roches anciennes, il faut choisir des isotopes radioactifs dont la période est suffisamment grande, de façon à ce qu’ils n’aient pas tous disparu.
Plus la période est longue plus on va pouvoir utiliser les éléments pour dater des objets anciens :
Nous avions travaillé sur la datation au
14C, pour les objets organiques (riches en C) datant de – de 50 000 ans, la datation de la terre, beaucoup plus ancienne va nécessiter l’utilisation d’autres couples d’isotopes :
236U/206Pb (uranium/plomb) et
87Rb/87Sr (rubidium/strontium)
• Le géochimiste américain Clair Patterson utilise la datation uranium-plomb ( l’uranium U se désintègre en plomb Pb).On peut alors parler de géochronomètre isotopique uranium/plomb.
La loi de décroissance radioactive : une horloge pour dater les roches : la radiochronologie
En effet, en mesurant les quantités de certains rapports isotopiques, on arrive à construire une droite, appelée isochrone, dont la pente (= coefficient directeur) donne l’âge de la Terre.
Principe (à terminale SPE) exemple de l’utilisation du couple 87Rb/87Sr pour la datation d’un granite (depuis la fermeture du système = cristallisation)
87Rb (père, instable) à 87Sr (fils, stable).
Donc au fil du temps 87Rb diminue et 87Sr augmente
(Les quantités d’éléments père n’étant pas constant dans les minéraux, et les quantités d’éléments fils 87Sr non nuls, au départ dans les échantillons, on utilise les rapports avec un autre éléments stable, constant 86Sr)
Par exemple : si nous utilisons la méthode « Rb/Sr » pour dater une roche, un granite par exemple…
On établit les rapports de différents éléments :
87Sr (stable) / 86Sr (stable) : Ce rapport est identique pour TOUS les minéraux de la roche
87Rb (instable) / 86Sr (stable) : ce rapport varie selon les minéraux Au fil du temps dans chaque minéral,
87Rb se désintègre et diminue à
87Rb / 86Sr diminue
87Sr augmente à87Sr / 86Sr augmente
Les mesures indiquent toutes un âge identique (fermeture du système) et tracent une droite : droite isochrone (même temps)
Plus le temps passe plus la pente (a) (coefficient directeur) de la droite augmente, elle sera proportionnelle au temps écoulé à âge
Approximation affine : a = l t
Avec l connue = constante de désintégration 1,42 10 -11 an
Clair Patterson utilisera les couples 233U/206Pb et 235U/207Pb et autre domaine scientifique pour effectuer sa datation de la terre : l’astronomie
b) Les apports de l’astronomie au XXème siècle
Rappels : Un astéroïde est un objet céleste de petite taille (inférieur à 200 km) généralement de forme irrégulière.
Lorsqu’un astéroïde traverse l’atmosphère terrestre, on parle de météores ou étoile filante. Si le météore touche le sol, on parle de météorite (c’est le nom de la roche). Tous ces corps célestes se sont formés en même temps que le système solaire et donc la terre !
Pour déterminer l’âge de la Terre, il faut disposer des roches les plus anciennes. L’application de la mesure, via la radiochronologie, sur des météorites a permis de contourner la difficulté.
Autrement dit, dater les météorites permet de déterminer l’âge de formation de la Terre.
Les chondrites sont des météorites formées en même temps que la Terre à partir du même matériau primitif. Autrement dit, ces restes du système solaire permet de dater la formation du système solaire et dons des planètes qui le constitue.
En 1953, Clair Patterson mesure les proportions en différents isotopes du plomb dans des différents échantillons de météorites.
Clair Patterson (1922-1955) utilise les géochronomètres (couples d’isotopes)
233U/206Pb et 235U/207Pb sur des météorites et certains minéraux de sédiments
océaniques.
Il est le premier à tracer un isochrone sur laquelle les points correspondant aux météorites et à la Terre s'alignent, ce qui prouve qu'elles ont le même âge
Clair Patterson arrive alors à un âge de 4,55 milliards d’années (4,55 Ga ) , datation admise par tous les scientifiques (soit le consensus scientifique).
Bilan
