Le temps et les roches

La datation est la détermination de l'âge d'un objet (roche, minéral, fossile, etc.), d'une structure (pli, faille, etc.) ou d'un événement géologique (plissement, érosion, etc.). La datation ou chronologie relative vise à ordonner dans le temps les éléments géologiques les uns par rapport aux autres. Elle repose sur quelques grands principes.
Le premier est le principe de continuité qui établit qu'une même couche est de même âge en tous ses points. Le second est le principe de superposition qui concerne les structures géologiques formées par dépôts successifs, comme les roches sédimentaires ou les coulées volcaniques : lorsque deux couches sont superposées, la couche inférieure est plus âgée que la couche supérieure. L'application de ce principe, aisée dans les zones peu modifiées tectoniquement, est difficile lorsque les couches sont déformées. Le troisième principe est le principe de recoupement, selon lequel toute structure géologique qui en affecte ou en recoupe une autre lui est postérieure. Il peut s'appliquer à l'échelle de l'affleurement. Ainsi, l'observation de roches déformées (plissées, faillées, etc.) indique que les déformations sont postérieures à la formation de ces roches. Le principe de recoupement s'applique aussi à l'échelle du minéral : un minéral qui en recoupe un autre lui est postérieur. Le quatrième principe est le principe d'inclusion selon lequel tout minéral contenu dans un autre lui est antérieur. L'application de ces différents principes, qui exploitent les relations géométriques entre les objets géologiques, permet d'établir un ordre temporel de formation de ces objets et des événements les affectant.
La datation relative utilise également les informations issues de certains fossiles, qui sont des restes d'êtres vivants ou de leur activité, conservés dans une roche. Elle se base sur l'étude des associations de fossiles stratigraphiques, appartenant à des espèces ayant une courte durée de vie et dont la zone de répartition géographique est étendue. Selon le principe d'identité paléontologique, deux couches contenant les mêmes fossiles stratigraphiques sont de même âge. Les études des associations de fossiles permettent de comparer l'âge de roches géographiquement éloignées. La mise en relation de datations relatives dans différentes régions conduit à établir l'échelle stratigraphique internationale des temps géologiques. L'unité de base de cette échelle est l'étage, défini par un affleurement ayant des caractéristiques géologiques et paléontologiques spécifiques, et délimité par des coupures inférieures et supérieures nettes. Les étages sont regroupés en périodes, puis les périodes définissent les ères. Les limites entre les ères ou les périodes correspondent à des événements majeurs de l'histoire de la Terre et de la vie, généralement des crises biologiques.

La datation relative permet d'établir l'ordre temporel des événements mais ne renseigne pas sur leur âge absolu ni de manière précise sur leur durée. L'objectif de la datation absolue est d'attribuer une date à un événement. Elle utilise essentiellement la radiochronologie, qui exploite la radioactivité naturelle de certains éléments chimiques. Lors d'une réaction radioactive, l'élément radioactif père se désintègre de manière continue et irréversible en élément fils, dit radiogénique. La loi de décroissance radioactive établit que, dans un échantillon de matière, le rapport entre les quantités actuelle et initiale de l'élément père ne dépend que du temps écoulé depuis le début de la réaction. Chaque élément radioactif père est caractérisé par sa demi-vie, qui correspond au temps de désintégration de la moitié de la quantité initiale présente dans l'échantillon. Dans une roche, la quantification de l'élément père radioactif ou de l'élément fils permet de déterminer l'âge de la roche, à condition de connaître la quantité initiale de l'élément père.
Comme la quantité initiale de l'élément père est rarement connue, il est souvent nécessaire d'introduire une autre grandeur, comme la quantité d'un isotope stable de l'élément fils. L'estimation par spectrométrie de masse des rapports isotopiques élément père/élément fils stable et élément fils radiogénique/élément fils stable de différents minéraux d'une roche permet de tracer une droite isochrone dont le coefficient directeur permet d'obtenir l'âge de la roche. Différents chronomètres sont utilisés en géologie : 87Rb/86Sr, 40K/40Ar, 238U/206Pb et 237U/207Pb. Un chronomètre de temps de demi-vie t_1/2 peut être utilisé pour dater un âge compris dans l'intervalle [0,01t_1/2 ; 10t_1/2]. La datation d'une roche nécessite de choisir un chronomètre approprié, en tenant compte de l'âge supposé de la roche et de la présence du chronomètre.
L'âge estimé est le temps écoulé depuis le début de la réaction de désintégration radioactive, c'est-à-dire depuis l'âge de la fermeture du système considéré, le minéral ou la roche. Cette fermeture consiste en l'arrêt des échanges avec l'environnement. Lorsqu'un minéral se forme par cristallisation à partir d'un magma, la fermeture du système correspond à la cristallisation de ce minéral, qui piège les éléments pères et fils. La radiochronologie s'utilise sur les roches magmatiques et métamorphiques, considérées comme des systèmes fermés à partir de leur cristallisation. Ainsi, la datation absolue (en datant les limites entre les différents étages, périodes et ères de l'échelle stratigraphique) aboutit à une échelle numérique des temps géologiques, dont les âges sont susceptibles d'être modifiés en fonction de l'évolution des connaissances.