L'utilisation des isotopes en sciences de la Terre, sujet de métropole, juin 2026, exercice 1

Exemple de plan détaillé à construire au brouillon

Titre des grandes parties	Connaissances	Arguments
1. L'étude des rapports isotopiques permet de retracer les variations climatiques passées	δ18O et δD (²H/¹H) de la glace, δ18O des sédiments carbonatés : indicateurs de la température existant au moment de la formation de la glace ou des sédiments	Résultats des études des rapports isotopiques au quaternaire depuis 800 000 ans
2. L'étude des rapports isotopiques permet de dater les objets géologiques	La datation absolue : exploite la loi de décroissance radioactive d'un élément père en un élément fils ; s'applique à différents types de roches ; utilise différents radio-isotopes ; permet de déterminer le temps écoulé depuis l'arrêt des échanges entre l'échantillon et l'environnement (la fermeture du système).	Datation absolue avec différents couples : 87Rb/87Sr, 40K/40Ar, U/Pb ou 14C/14N

Exemple d'argumentaire attendu selon le plan ci-dessus

Retracer l'histoire de la planète Terre nécessite de disposer d'indices pour déterminer l'évolution de la planète, que cela soit l'évolution géologique ou l'évolution climatique. Or, l'histoire de la Terre ayant débuté il y 4,6 milliards d'années, la très grande majorité des témoins de ces évolutions ont été perdus. Mais il reste des indices, notamment ceux conservés dans les roches, qui peuvent dater de plusieurs milliards d'années. Les glaces polaires constituent également des archives climatiques intéressantes des derniers millions d'années. Cependant, l'étude de ces indices n'est pas toujours évidente et nécessite une méthodologie rigoureuse. Pour étudier ces témoins du passé, les isotopes d'éléments chimiques peuvent apporter des informations pertinentes. Les isotopes d'un élément chimique sont les atomes d'un même élément chimique, qui ne diffèrent que par leur nombre de neutrons. C'est principalement l'étude des rapports isotopiques, c'est-à-dire les rapports entre des quantités d'isotopes, qui permet de restituer l'évolution climatique terrestre et de dater des objets géologiques. Comment l'étude de rapports isotopiques permet-elle de retracer des variations climatiques passées et de dater des objets géologiques ? Nous présenterons dans un premier temps comment l'étude des rapports isotopiques permet de restituer les variations passées du climat, puis nous présenterons le principe de la datation absolue, qui permet grâce à l'exploitation de la radioactivité naturelle, de donner un âge à un objet géologique.

1. L'étude des rapports isotopiques permet de retracer les variations climatiques passées

L'étude des carottes forées dans les glaces polaires permet de reconstituer les variations climatiques des 800 000 dernières années en mesurant les concentrations en isotopes stables de l'oxygène. Les isotopes de l'oxygène utilisés sont les isotopes ¹⁸O (isotope lourd) et ¹⁶O (isotope léger). Au niveau des carottes forées dans une superposition de couches de glace, il est possible pour chaque couche d'estimer les proportions relatives de ¹⁸O et de ¹⁶O. Le rapport isotopique ¹⁸O/¹⁶O permet alors de calculer un indicateur isotopique, le δ¹⁸O. Les scientifiques sont également capables de dater les différentes couches superposées de glace. Or, le δ¹⁸O des glaces varie en fonction des conditions climatiques existantes à l'époque où la glace s'est formée. En effet, dans la glace, il est établi que le δ¹⁸O varie dans le même sens que la température régnant lors de la formation de la glace. Une augmentation de δ¹⁸O mesuré sur un temps donné indique une augmentation de la température sur la période où s'est formée la glace. Inversement, une diminution du δ¹⁸O mesuré sur une période donnée traduit une diminution de la température pendant le dépôt des couches de glace. Ainsi, l'étude du δ¹⁸O d'une carotte de glace permet de retracer l'évolution de la température et donc du climat sur une période de temps donnée, correspondant à la formation de la carotte de glace.
Un autre indicateur isotopique, le δD, peut être mesuré dans les carottes de glace. Le δD estime le rapport isotopique ²H/¹H (avec ²H, deutérium, isotope lourd de l'hydrogène et ¹H, isotope léger de l'hydrogène). Le δD permet également de retracer l'évolution des températures existant lors de la formation de la glace. Ainsi, l'étude des différents rapports isotopiques des glaces présentes en Arctique et en Antarctique a permis de montrer l'existence, depuis 800 000 ans, d'une alternance régulière de périodes glaciaires et de périodes interglaciaires, selon des cycles (glaciation et période interglaciaire) d'environ 100 000 ans. Enfin, le δ¹⁸O peut également être utilisé sur des sédiments carbonatés marins pour reconstituer des variations climatiques lointaines du passé.
L'étude des isotopes stables d'un même élément chimique permet donc de retracer des variations climatiques même lointaines à l'échelle des temps géologiques. L'étude des isotopes radioactifs est utilisée depuis les années 1950 en géologie pour donner un âge absolu à des objets géologiques.

2. L'étude des rapports isotopiques permet de dater les objets géologiques

La datation absolue consiste à donner un âge absolu aux événements géologiques, comme la formation d'une roche ou encore son métamorphisme, par exemple. La datation absolue, ou radiochronologie, repose sur l'utilisation de la radioactivité naturelle des éléments chimiques présents dans les roches.
Lors des réactions de désintégration radioactive, les noyaux de l'élément radioactif père se désintègrent de manière continue, spontanée et irréversible en élément fils, dit radiogénique. La cinétique de cette désintégration radioactive obéit à la loi de la décroissance radioactive. Chaque couple élément père/élément fils est caractérisé par sa demi-vie, qui correspond au temps nécessaire à la désintégration de la moitié de la quantité initiale des éléments pères radioactifs. Ainsi pour chaque radio-chronomètre, l'application de méthodes spécifiques permet, à partir de l'estimation des rapports isotopiques d'une roche, de dater celle-ci. L'âge obtenu de l'échantillon étudié correspond au temps écoulé depuis le début de la réaction de désintégration radioactive, c'est-à-dire depuis l'arrêt des échanges de matière entre le système étudié, le minéral ou la roche, et l'environnement (fermeture du système).
Différents radio-chronomètres peuvent être utilisés en géologie. Les couples ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr, ⁴⁰K/⁴⁰Ar et U/Pb permettent de dater des roches magmatiques et métamorphiques. Des restes organiques récents contenus dans les roches sédimentaires peuvent être datés avec d'autres couples d'isotopes radioactifs, comme le ¹⁴C/¹⁴N. Le choix du couple d'isotopes utilisable dépend de l'âge supposé de la roche à date et de la présence des atomes étudiés dans l'échantillon. Par exemple, l'élément père radioactif ⁸⁷Rb se désintègre en éléments fils ⁸⁷Sr, avec une demi-vie de 48,8 Ga. La méthode suivie pour dater une roche magmatique avec le couple ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr s'effectue selon les étapes suivantes :

• estimation sur plusieurs minéraux de la roche des rapports isotopiques [⁸⁷Sr]/[⁸⁶Sr] et [⁸⁷Rb]/[⁸⁶Sr] (avec ⁸⁶Sr, isotope non radioactif de Sr) ;
• tracé de la représentation graphique de [⁸⁷Sr]/[⁸⁶Sr] en fonction de [⁸⁷Rb]/[⁸⁶Sr], conduisant à l'obtention d'une droite isochrone dont le coefficient directeur A peut être déterminé (A=e^λt − 1) ;
• détermination de l'âge de la roche en appliquant la formule suivante :
• ou avec pour le couple Rb/Sr : t1/2 = temps de demi-vie = 48,8 Ga λ = constante de radioactivité = 1,42 × 10⁻¹¹ an⁻¹

En conclusion, les isotopes sont des outils précieux pour connaître l'évolution passée de la planète Terre. L'étude des isotopes stables comme ceux de l'oxygène dans la glace ou dans les sédiments ou encore de l'hydrogène dans la glace permet de retracer les variations passées de la température, donc du climat. L'étude des isotopes radioactifs permet, en appliquant la loi de décroissance radioactive, de donner un âge absolu à des objets géologiques, et ainsi de dater notamment la formation des roches. Pour reconstituer les climats passés et dater les objets géologiques, l'étude des rapports isotopiques peut être complétée par d'autres méthodes. Ainsi, la datation relative, qui consiste à ordonner dans le temps les événements géologiques, est complémentaire de la datation absolue. Par ailleurs, concernant l'étude des climats du quaternaire par exemple, l'analyse des pollens, ou palynologie, constitue un outil complémentaire de l'étude des rapports isotopiques.