Datation Géologique

Chap. 1

Chapitre 1 : Le temps et les roches

La datation est l'action de déterminer l'âge d'une couche, d'un fossile, d'une structure.
Les géologues utilisent deux méthodes complémentaires :

la chronologie relative qui consiste à établir une succession d'évènements géologiques (ordre, chronologie) ;
la chronologie absolue qui permet de déterminer l'âge en milliers, en millions, voire en milliards d'années, et de caler l'échelle stratigraphique dans le temps.

1) La chronologie relative

Cette méthode utilise des principes basés sur les relations géométriques entre les formations géologiques ainsi que l'observation des fossiles inclus dans les roches sédimentaires.

Activité 1 : TP : Observer pour comprendre la datation relative et son intérêt

TD : exercices d'entraînement : feuille + site
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/defi-lyell/

Définition : strate = couche de terrain(s)

BILAN :
La chronologie relative peut s'établir à partir de données physiques : elle date les structures ou évènements géologiques les uns par rapport aux autres. Elle repose sur des principes simples :

le principe de superposition : une strate est plus récente que celle qu'elle recouvre.
le principe de continuité : une même strate est de même âge en tout point (même si leurs caractéristiques peuvent parfois être différentes à cause de conditions de sédimentation différentes).
le principe de recoupement (ou d'intersection) : toute structure qui en recoupe une autre est plus récente ou tout évènement géologique qui affecte une formation géologique lui est postérieur.
le principe d'inclusion : tout objet (roche ou minéral) inclus (en enclave) dans un autre est plus ancien.
une discordance est un contact anormal entre 2 structures ; il peut y avoir une rupture de continuité entre le dépôt des couches inférieures et des couches supérieures (la sédimentation s'est interrompue). Parfois après la rupture de sédimentation, un phénomène géologique peut entraîner un basculement des couches ; on observera alors ce qu'on appelle une discordance angulaire.

1B) La datation grâce aux fossiles

Activité 2 : TP type ECE : Observer et manipuler pour comprendre l'intérêt de l'utilisation de fossiles dans la datation

BILAN :
La chronologie relative peut s'établir à partir de données paléontologiques (contenu fossilifère).
Elle utilise le principe d'identité paléontologique : deux strates contenant la même association de fossiles stratigraphiques sont de même âge.
Pour être fossile stratigraphique, un fossile doit répondre à 3 critères :

être abondant ;
avoir eu une existence brève dans le temps (on choisit ceux dans les groupes ayant eu une évolution biologique rapide) ;
avoir une vaste répartition géographique (présents dans différentes régions du globe).

Exemples de fossiles stratigraphiques : les trilobites pour l'ère primaire, les ammonites et les dinosaures pour l'ère secondaire, les foraminifères pour le tertiaire.

2) La construction de l'échelle stratigraphique

Activité 3 : TP + Étude de documents p140, 141

Définitions :

Le stratotype est l'affleurement qui sert de référence pour définir un étage géologique, c'est-à-dire un étage de l'échelle stratigraphique.

Chapitre 1 : Le temps et les roches (suite)

Le point stratotypique mondial (PSM) (Global Boundary Stratotype Section and Point, GSSP) aussi appelé "Clou d'or" définit les limites entre deux étages géologiques, ne laissant pas la possibilité de vide ou de chevauchement entre eux.

Les associations de fossiles stratigraphiques sont utilisées pour caractériser des intervalles de temps.
L'apparition et la disparition de groupes fossiles permettent d'établir des corrélations entre les formations à l'échelle mondiale. Ainsi en regroupant des intervalles de temps, les géologues ont construit la Terre à l'échelle mondiale.
Les subdivisions en étages, étages, séries, systèmes, éons, ères, périodes, etc. sont des subdivisions en stratigraphie au sein de laquelle le temps est découpé en compartiments plus ou moins longs.

Datation radiométrique

Cette méthode est la radiochronologie ou datation radiométrique. Elle s'est développée au 20e siècle après la découverte par Becquerel en 1896 de la radioactivité ; elle est basée sur la désintégration radioactive.

Présentation des différentes méthodes :

14C / 14N
K/Ar
Rb/Sr
UPb (Uranium-Plomb) voir photocopie.

Activité 4 : TP type ECE : Application de la méthode K/Ar (Ormeau)

Activité 5 : TP type ECE : Application de la méthode Rb/Sr (Granite)

BILAN :

La désintégration radioactive est basée sur la désintégration radioactive.
La variable chronomètre est influencée par aucun facteur physique ou chimique ou du temps et constitue la durée variable radioactive.
La désintégration radioactive est un phénomène continu et irréversible, sauf une quantité d'éléments père radioactive au départ, il faut toujours le même nombre d'années pour que cette quantité soit réduite de moitié par désintégration (ou demi-vie).
La fonction du temps est monotone décroissante.
La quantité d'éléments père et des éléments fils radioactifs permet de déterminer l'âge des différents minerais contenus dans une roche.
Les minerais chronomètres sont utilisés en géochronologie. Ils se distinguent par la période (demi-vie) de l'élément père.
Ex : K/Ar, Rb/Sr, UPb.

Chap. 2

Activité 1 : TP : Observer pour comprendre la datation relative et son intérêt

On cherche à utiliser des principes simples de relation géométrique pour proposer une datation relative d'évènements géologiques.
Observer pour utiliser les principes de datation relative pour proposer une chronologie aux évènements suivants.

Matériel : échantillon de roche basaltique ; documents.

a) Retrouver les différents principes de datation relative dans la chronologie des évènements suivants :

Dépôt
1. Dépôt de 5 strats horizontales par principe superposit°
2. Déformation des strats par plissement et grâce au principe regroupement
Erosion
1. Erosions des strates qui sont plissées grâce au principe regroupement
Discordance angulaire
Nouveau dépôt de 2 strats horizontales par principe superposit°
Fait apparaître contact anormal = surface de discordance

b) Retrouver les évènements "pli" et "faille" (préciser normale ou inverse) ; indiquer les principes de datation utilisés.

Faille normale
Divergence = extension

Faille inverse
Convergence
Raccourcissement horizontal

Pli
Epaisseurment vertical (relief)

Pli-faille
Epaisseurment vertical (relief)
Raccourcissement horizontal

Chevauchement
Nappe de charriage
Fragment de nappe (Klippes)
Fenêtre
Front de charriage/contact anormal

Faille décrochante
-> mouvement horizontal

c) Schématiser rapidement l'échantillon de basalte à péridotite et le légender ; à l'aide des différents principes, retrouver la chronologie relative retraçant la mise en place de cet échantillon.

basalte
péridotite (inclusion)
d'après principe inclus° la péridotite est antérieur au basalte

Chap. 3

Exercice d'entraînement : Utiliser la datation relative

Pour chaque photo, retrouvez les différents principes de datation pour reconstituer l'histoire géologique des terrains observés.

Photo 1 - Pic Carlit, 2921 m, plus haut sommet des Pyrénées Orientales	Photo 2 - Tudéry, Hérault
Dépôt strats situées en dessus sont antérieurs à celle au dessus → principe superposit° strats horizontales	Antérieurs aux marnes rouges car 80M est ancien que 50M
Déformat° des strats par plissements et (postérieur au dépôt) grâce principe de recoupement	1. dépôt calcaire plus marnes 2. contact de convergence 3. faille inverse ou chevauchement 4. recouvrement d'un terrain des marnes
Erodé → recoupement	calcaire blanc du Crétacé = environ -80 Ma au dessus
	surface de discordance La ≠ d'âge et le contact anormal entre les 2 format témoignent d'une interruption de la sédimentation
	Marnes rouges de l'éocène = environ -50 Ma + jeune

Chap. 4

Chapitre 1 - Cours sur la datation absolue

La datation absolue attribue un âge en milliers, en millions voire en milliards d'années aux « objets géologiques », ce qui permet d'évaluer la durée des évènements que ces objets représentent.
La méthode utilisée est la radiochronologie ou datation radiométrique. Elle s'est développée au 20e siècle après la découverte par Becquerel en 1896 de la radioactivité ; elle est basée sur la désintégration radioactive.

1- Principe :
La datation absolue utilise les propriétés radioactives d'isotopes contenus dans les objets à dater (roches ou êtres vivants).

Un isotope père radioactif est instable et se désintègre, de façon continue et irréversible, en un isotope fils radiogénique, selon une constante de désintégration λ déterminée expérimentalement. Cette régularité permet d'utiliser les isotopes radioactifs comme chronomètres.
Un isotope radioactif est caractérisé par sa période ou demi-vie notée T. Elle correspond à la durée au bout de laquelle la quantité initiale N₀ (isotope père) est divisée par deux. Elle est déterminée par la formule : T = ln2/λ
La désintégration de l'isotope père suit la loi mathématique de décroissance exponentielle, appelée loi de désintégration radioactive : P = P₀.e^(-λt). Quel que soit l'objet à dater, le calcul de son âge est basé sur le dosage/la quantification des éléments père et fils qu'il contient, grâce à un spectromètre de masse.
Avec P₀ = nombre initial de l'isotope père dans l'objet et Pₜ = nombre actuel de cet isotope dans l'objet à l'instant t.
t = durée depuis laquelle l'échantillon analysé est fermé.
La fermeture du système correspond à l'arrêt de tout échange en isotopes entre le système analysé et l'environnement. Elle est contrôlée par la température. En utilisant des minéraux dont la température de fermeture est proche de la température de cristallisation du magma, on peut dater la formation d'une roche magmatique. Des minéraux de plus basse température de fermeture donneront l'âge de son refroidissement.
Dans le cas de roches métamorphiques, la température subie par la roche peut dépasser la température de fermeture du système. L'âge obtenu est alors celui du métamorphisme. On peut donc obtenir plusieurs âges pour une même roche, qui ne sont pas interprétés de la même façon, => méthodes applicables aux roches magmatiques et métamorphiques.

2- Utilisation des radiochronomètres :
Le choix du radiochronomètre dépend de l'âge supposé de l'objet à dater, qui peut être appréhendé par chronologie relative, mais aussi de la présence initiale d'éléments radioactifs. L'âge à calculer doit être compris entre environ un centième et dix fois la demi-vie de l'isotope radioactif. Au-delà de cette dernière durée, le nombre d'isotopes radioactifs pères sera trop faible pour être mesurable.

Élément père -> élément fils	Période T = demi-vie (années)	Constante de désintégration λ (an⁻¹)	Domaine de datation	Échantillons datés
¹⁴C -> ¹⁴N	5730	1,21.10⁻⁴	< 50 000 ans	Matière organique : os, bois, etc
⁴⁰K -> ⁴⁰Ar	1,31.10⁹	5,8.10⁻¹¹	De 100 à 300 Ma	Biotite, Muscovite, Amphiboles, Pyroxènes, Feldspaths
⁸⁷Rb -> ⁸⁷Sr	49,9.10⁹	1,42.10⁻¹¹	Plus de 100 Ma	Minéraux riches en U : zircons
²³⁸U -> ²⁰⁶Pb	4,53.10⁹	1,55.10⁻¹⁰	Plus de 25 Ma	Minéraux riches en U : zircons
²³⁵U -> ²⁰⁷Pb	0,704.10⁹	9,85.10⁻¹⁰

Méthode ¹⁴C : ¹⁴C -> ¹⁴N
Intérêt : ¹⁴C présent dans les tissus de tous les êtres vivants (MO) ; à leur mort, le ¹⁴C n'est plus renouvelé dans les tissus et disparaît progressivement par désintégration → ¹⁴N

facile d'emploi car P₀ est connu ; en effet la quantité de ¹⁴C dans l'atmosphère est resté constante au cours du temps donc P₀ est la même que dans la MO actuelle.
Utilisation de la formule : mesure quantité ¹⁴C dans MO actuelle => P₀ et mesure quantité ¹⁴C restant dans l'échantillon => Pₜ

Méthode K/Ar : ⁴⁰K -> ⁴⁰Ar
Le potassium est un élément abondant dans des minéraux comme les feldspaths ou les micas. Le couple K/Ar permet de dater des roches magmatiques ou métamorphiques.
L'argon est un gaz donc tant que le magma n'est pas cristallisé, Ar s'échappe => donc au moment de la fermeture du système = cristallisation du magma, F₀ = 0
Comme P₀ + F₀ = Pₜ + Fₜ alors P₀ = Pₜ + Fₜ
Donc t = (1/λ).ln((Pₜ + Fₜ)/Pₜ) =>

Il faut donc mesurer Pₜ et Fₜ avec un spectromètre, puis calculer t.

Méthode Rb/Sr : ⁸⁷Rb -> ⁸⁷Sr
Ce chronomètre est utilisé pour les âges les plus anciens. C'est une méthode plus complexe car on ne connaît ni P₀ ni F₀ ; la détermination de l'âge passe par une résolution graphique.

Chap. 5

EXERCICE DE GÉOLOGIE : LE CHEVAUCHEMENT DE LA MEIJE

Évaluation des compétences : Pratiquer une démarche scientifique

Compétences cibles	Indicateurs de réussite (Cas de la Meije)
Saisir et exploiter des informations	L'élève identifie correctement le symbole géologique des triangles et associe les âges des terrains (ξ Paléozoïque vs j Jurassique) sans inversion chronologique.
Pratiquer une démarche scientifique (Mettre en relation)	L'élève confronte la position géométrique (le vieux sur le jeune) à la normale stratigraphique pour déduire une anomalie due à un chevauchement lié à une compression.
Communiquer dans un langage scientifique rigoureux	Utilisation exacte du vocabulaire (bloc chevauchant, toit, mur, pendage, compression, raccourcissement).

Analyse de carte géologique

Contexte : Dans la région du massif des Écrins (Alpes françaises), l'imposant sommet de la Meije présente une structure géologique remarquable. On étudie ici un extrait simplifié de la carte géologique officielle de cette zone (secteur de La Grave). Un contact tectonique majeur, matérialisé par une ligne noire continue flanquée de petits triangles, sépare deux grands ensembles rocheux.

Document 1 : Extrait cartographique simplifié de la zone de la Meije (BRGM)

Questions :

En analysant la symbologie de la ligne de faille (Document 1), indiquez de quel type d'accident tectonique il s'agit (faille normale, faille inverse ou chevauchement).
→ convergence / faille inverse
D'après la règle conventionnelle d'orientation des triangles, déterminez précisément quel compartiment (Nord ou Sud) représente le bloc chevauchant (celui qui est monté).
→ compartiment Nord
Utilisez les âges des terrains ξ et j pour mettre en évidence une anomalie géologique majeure. En quoi cette observation valide-t-elle votre réponse à la question 2 ?
→ la présence des terrains paléozoïques (ancien) au dessus de terrains jurassiques (jeune) confirme chevauchement.
Déduisez-en le sens de déplacement horizontal du bloc mobile ainsi que la nature des contraintes tectoniques régionales (extension ou compression) à l'origine de cette chaîne de montagnes.
→ divergence / convergence

Chap. 6

Exercices d'entraînement : Utiliser la datation relative

Photo 1 - Pic Carlit, 2921 m, plus haut sommet des Pyrénées Orientales	Photo 2 - Tudéry, Hérault
Dépôt strats situées en dessus sont antérieurs à celle au dessus → principe superposit° strats horizontales	Antérieurs aux marnes rouges car 80M est ancien que 50M
Déformat° des strats par plissements et (postérieur au dépôt) grâce principe de recoupement	1. dépôt calcaire plus marnes 2. contact de convergence 3. faille inverse ou chevauchement 4. recouvrement d'un terrain des marnes
Erodé → recoupement	calcaire blanc du Crétacé = environ -80 Ma au dessus
	surface de discordance La ≠ d'âge et le contact anormal entre les 2 format témoignent d'une interruption de la sédimentation
	Marnes rouges de l'éocène = environ -50 Ma + jeune

Photo 3

Par principe de superposit°, les terrains ξd sont déposés dans l'ordre : D, C, B. Par principe de recoupement C postérieure à B, C et O, puis métamorphisme M.
La faille recoupe E, C, D, B et M mais pas G ni A, elle est donc antérieure à G et A, qui est de terrain le + jeune (princ superpos) et postérieure à C et M.
Pour princ recoup G est postérieur à B et anté à A, G recoupant B mais pas A, G est + récent que B et anté à A.
Ainsi on peut établir la chrono suivante D, C, B, E, M, faille, G et A.

Exercice : Chevauchement Meije

Orogénèse : formation des chaînes de montagnes
Métamorphisme : modification d'une roche pré-existante, à l'état solide, sans l'effet d'une modification des conditions de température et/ou de pression.

Cristaux d'une roche

Le zircon est un minéral courant dans les magmas granitiques. Extrêmement résistants, il est considéré comme pratiquement inaltérable, si bien que certains cristaux de zircon sont presque aussi vieux que la Terre (voir p.131).
On le trouve couramment en inclusion dans les cristaux de biotite au sein des granites et des rhyolites. Il peut contenir des traces d'uranium, élément radioactif qui, en se désintégrant, "brûle" la biotite environnante, provoquant la formation d'une auréole brune ou noire caractéristique.

Schéma cristaux

Cristal = minéral
Biotite = famille micas ce cristal
Famille Feldspaths : Réaggloméré, Orthose
Muscovite → blanc
Quartz CC

Ordre de formation

4 antérieur à 3 princ inclusion
1, 2, 3 antérieur à 5
entre 1, 2 et 3 ordre impossible à déterminer
6 car petit que 1, 2, 3
microlites
verre
magma
cristaux
microlites postérieur aux cristaux
verre ≠ récent
d'après princ recoupement, l'auréole est postérieur à la format° de la biotite

Zircon antérieur à la biotite car cristaux de zircon sont inclus dans le cristal de biotite

biotite ≠ récent
auréole brune ou noire apparu avec désintégrat° de uranium est présent/appelé la biotite *3

Chap. 7