Datation radiométrique et échelle géologique du temps

Aperçu

• Introduction
• Contexte
  • Principes stratigraphiques & temps relatif
  • Biostratigraphie
  • Datation radiométrique : Étalonnage de l'échelle des temps
• Un exemple théorique
• Circularité ?
• Exemples spécifiques : Quand la datation radiométrique « fonctionne simplement » (ou pas)
• Conclusions
• Références
• Autres sources
• Remerciements

Introduction

Ce document discute la manière dont la datation radiométrique et les principes stratigraphiques sont utilisés pour établir l'échelle de temps géologique conventionnelle. Il ne s'agit pas de la théorie derrière les méthodes de datation radiométrique, mais de leur application, et il suppose donc que le lecteur a déjà une certaine familiarité avec la technique (voir "Autres sources" pour plus d'informations). À titre d'exemple de leur utilisation, les dates radiométriques provenant de roches crétacées géologiquement simples et fossilifères dans l'ouest de l'Amérique du Nord sont comparées à l'échelle de temps géologique. Pour y parvenir, il y a également une discussion et une description historiques des méthodes de datation non radiométrique.

L'exemple utilisé ici contraste fortement avec la manière dont les méthodes de datation scientifiques conventionnelles sont caractérisées par certains critiques (par exemple, voir la discussion dans "Common Creationist Criticisms of Mainstream Dating Methods" dans le Age of the Earth FAQ et Isochron Dating FAQ). Une forme courante de critique consiste à citer des situations géologiquement complexes où l'application de la datation radiométrique est très difficile. Ces cas sont souvent caractérisés comme la norme, plutôt que comme l'exception. J'ai pensé qu'il serait utile de présenter un exemple où la géologie est simple, et comme on s'y attend, la méthode fonctionne bien, pour montrer la qualité des données qui devraient être invalidées avant qu'une révision majeure de l'échelle des temps géologiques ne soit acceptée par les scientifiques conventionnels. Les géochronologistes ne prétendent pas que la datation radiométrique est infaillible (aucune méthode scientifique ne l'est), mais elle fonctionne de manière fiable pour la plupart des échantillons. Ce sont ces échantillons hautement cohérents et fiables, plutôt que les cas délicats, qui doivent être falsifiés pour que les théories de la "Terre jeune" aient une quelconque plausibilité scientifique, sans parler de la nécessité de falsifier d'énormes quantités de preuves provenant d'autres techniques.

Ce document est en partie basé sur un précédent message composé en réponse à Ted Holden. Je remercie à la fois lui et les autres critiques pour m'avoir motivé.

Contexte

Principes stratigraphiques et temps relatif

Une grande partie de la géologie de la Terre est constituée de couches successives de différents types de roches, empilées les unes sur les autres. Les roches les plus couramment observées sous cette forme sont les roches sédimentaires (dérivées de ce qui étaient autrefois des sédiments) et les roches ignées extrusives (par exemple, les laves, les cendres volcaniques et autres roches autrefois fondues extrudées à la surface de la Terre). Les couches de roches sont appelées « strates », et l'étude de leur succession est connue sous le nom de « stratigraphie ». Fondamentaux pour la stratigraphie se trouvent un ensemble de principes simples, basés sur la géométrie élémentaire, l'observation empirique de la manière dont ces roches sont déposées aujourd'hui, et la gravité. La plupart de ces principes ont été formellement proposés par Nicolaus Steno (Niels Steensen, danois), en 1669, bien que certains aient une origine encore plus ancienne qui remonte jusqu'aux auteurs de la Bible. Quelques principes ont été reconnus et spécifiés plus tard. Un premier résumé de ceux-ci se trouve dans le Principles of Geology de Charles Lyell, publié entre 1830 et 1832, et ne diffère guère d'une formulation moderne :

1. Le principe de superposition - dans une séquence verticale de roches sédimentaires ou volcaniques, une unité rocheuse supérieure est plus jeune qu'une unité inférieure. « En bas » est plus ancien, « en haut » est plus jeune.
2. Le principe de l'horizontalité originelle - les couches rocheuses ont été déposées à l'origine à peu près horizontales.
3. Le principe de l'extension latérale originelle - une unité rocheuse s'étend latéralement sauf s'il existe une structure ou un changement qui empêche son extension.
4. Le principe des relations de coupe - une structure qui coupe une autre est plus jeune que la structure qui est coupée.
5. Le principe d'inclusion - une structure qui est incluse dans une autre est plus ancienne que la structure incluse.
6. Le principe de l'"uniformitarisme" - les processus opérant dans le passé étaient contraints par les mêmes « lois de la physique » qui opèrent aujourd'hui.

Notez que ce sont des principes. Ils ne sont en aucun cas destinés à impliquer qu'il n'y a pas d'exceptions. Par exemple, le principe de superposition repose, fondamentalement, sur la gravité. Pour qu'une couche de matériau soit déposée, quelque chose doit se trouver en dessous pour la soutenir. Elle ne peut pas flotter dans les airs, en particulier si le matériau en question est du sable, de la boue ou du roche en fusion. Le principe de superposition a donc une implication claire pour l'âge relatif d'une succession verticale de strates. Il existe des situations où il peut potentiellement échouer -- par exemple, dans les dépôts de grottes. Dans cette situation, le contenu de la grotte est plus jeune que le socle rocheux en dessous de la grotte et le plafond suspendu au-dessus. Cependant, notez que, en raison du "principe des relations de coupe", un examen attentif du contact entre le remplissage de la grotte et la roche environnante révélera les vraies relations d'âge relatives, tout comme le "principe d'inclusion" si des fragments de la roche environnante sont trouvés dans le remplissage. Les dépôts de grottes ont également souvent des structures distinctives propres (par exemple, des spéléothèmes comme les stalactites et les stalagmites), il n'est donc pas probable que quelqu'un puisse les confondre avec une séquence successive d'unités rocheuses.

Ces principes géologiques ne sont pas non plus des hypothèses. Chacun d'eux est une hypothèse testable concernant les relations entre les unités rocheuses et leurs caractéristiques. Ils sont appliqués par les géologues dans le même sens qu'une « hypothèse nulle » en statistique — pas nécessairement correcte, simplement testable. Au cours des 200 dernières années ou plus de leur application, ils sont souvent valides, mais les géologues ne les supposent pas tels. Ils constituent les « hypothèses de travail initiales » à tester davantage grâce aux données.

En utilisant ces principes, il est possible de construire une interprétation de la séquence d'événements pour toute situation géologique, même sur d'autres planètes (par exemple, un impact de cratère peut couper une surface plus ancienne déjà existante, ou des cratères peuvent se chevaucher, révélant leurs âges relatifs). La situation la plus simple pour un géologue est une succession « gâteau en couches » d'unités rocheuses sédimentaires ou ignées extrusives disposées en couches presque horizontales. Dans une telle situation, le «principe de superposition» s'applique facilement, et les strates vers le bas sont plus anciennes, celles vers le haut plus jeunes.

Cette orientation n'est pas une hypothèse, car dans presque toutes les situations, il est également possible de déterminer le « haut » original dans la succession stratigraphique à partir des « indicateurs du haut ». Par exemple, les rides d'ondulation ont leurs crêtes pointues du côté « haut » et leurs creux plus arrondis du côté « bas ». De nombreux autres indicateurs sont couramment présents, y compris ceux qui peuvent même vous indiquer l'angle de la surface de dépôt au moment de la sédimentation (« structures géopétales »), « en supposant » que la gravité était « vers le bas » à cette époque, ce qui n'est guère une hypothèse :-).

Dans des situations plus complexes, comme dans une chaîne de montagnes, il existe souvent des failles, des plis et d'autres complications structurales qui ont déformé et « fragmenté » la stratigraphie originale. Malgré cela, le « principe des relations de croisement » peut être utilisé pour déterminer la séquence de dépôt, de plis et de failles en se basant sur leurs intersections -- si des plis et des failles déforment ou traversent les couches sédimentaires et les surfaces, alors elles sont évidemment apparues après le dépôt des sédiments. On ne peut pas déformer une structure (par exemple, un litage) qui n'existe pas encore ! Même dans des situations complexes impliquant un dépôt multiple, une déformation, une érosion, un nouveau dépôt et des événements répétés, il est possible de reconstituer la séquence des événements. Même si le plissement est si intense que certaines des couches sont maintenant à l'envers, ce fait peut être reconnu grâce aux indicateurs « vers le haut ».

Peu importe la situation géologique, ces principes de base permettent de manière fiable de reconstituer l'histoire séquentielle des événements, qu'ils soient de dépôt, d'érosion, de déformation ou d'autres types, pour la géologie d'une région. Cette reconstitution est testée et affinée à mesure que de nouvelles informations de terrain sont collectées, et peut être (et le est souvent) réalisée complètement indépendamment de tout ce qui concerne d'autres méthodes (par exemple, les fossiles et la datation radiométrique). L'histoire reconstituée des événements forme une « échelle de temps relative », car il est possible de déterminer que l'événement A s'est produit avant l'événement B, lequel s'est produit avant l'événement C, indépendamment de la durée réelle du temps qui les sépare. Parfois, cette étude est désignée sous le nom de « stratigraphie des événements », un terme qui s'applique quel que soit le type d'événement qui se produit (biologique, sédimentologique, environnemental, volcanique, magnétique, diagénétique, tectonique, etc.).

Ces techniques simples ont été appliquées avec succès et largement depuis au moins le début du XVIIIe siècle, et dès le début du XIXe siècle, les géologues ont reconnu que de nombreuses évidentes similitudes existaient en termes de séquence d'événements géologiques indépendamment reconstruite observée dans différentes parties du monde. L'une des premières échelles de temps relatives (1759) basées sur cette observation fut la subdivision de la stratigraphie de la Terre (et donc de son histoire), en « Primaire », « Secondaire », « Tertiaire » et plus tard (1854) « Quaternaire » stratifiés, principalement sur la base de types de roches caractéristiques en Europe. Les deux dernières subdivisions, sous une forme amendée, sont toujours utilisées aujourd'hui par les géologues. La première, « Primaire », est quelque peu similaire au Paléozoïque et au Précambrien modernes, et le « Secondaire » est similaire au Mésozoïque moderne. Une autre observation fut la similitude des fossiles observés au sein de la succession des strates, ce qui mène au sujet suivant.

Biostratigraphie

Alors que les géologues ont continué à reconstituer l'histoire géologique de la Terre au XVIIIe et au début du XIXe siècle, ils ont rapidement reconnu que la répartition des fossiles au sein de cette histoire n'était pas aléatoire : les fossiles apparaissaient dans un ordre constant. Cela était vrai à l'échelle régionale, et même à l'échelle mondiale. De plus, les organismes fossiles étaient plus uniques que les types de roches et beaucoup plus variés, offrant la possibilité d'une subdivision beaucoup plus précise de la stratigraphie et des événements qu'elle contient.

La reconnaissance de l'utilité des fossiles pour une datation « relative » plus précise est souvent attribuée à William Smith, un ingénieur des canaux qui a observé la succession des fossiles en creusant dans les roches du sud de l'Angleterre. Mais des scientifiques comme Albert Oppel ont découvert les mêmes principes vers le même moment ou plus tôt. Dans le cas de Smith, en utilisant des observations empiriques de la succession des fossiles, il a pu proposer une subdivision fine des roches et cartographier les formations du sud de l'Angleterre sur l'une des premières cartes géologiques (1815). D'autres chercheurs dans le reste de l'Europe, et éventuellement dans le reste du monde, ont pu comparer directement la même succession des fossiles dans leurs régions, même lorsque les types de roches eux-mêmes variaient à une échelle plus fine. Par exemple, partout dans le monde, les trilobites ont été trouvés plus bas dans la stratigraphie que les reptiles marins. Les dinosaures ont été trouvés après la première occurrence des plantes terrestres, des insectes et des amphibiens. Les plantes terrestres à spores comme les fougères ont toujours été trouvées avant l'apparition des plantes à fleurs. Et ainsi de suite.

L'observation que les fossiles apparaissent dans une succession cohérente est connue sous le nom de « principe de succession faunique (et florale) ». L'étude de la succession des fossiles et son application à la datation relative est appelée « biostratigraphie ». Chaque intervalle de temps dans la stratigraphie peut être caractérisé par un assemblage particulier d'organismes fossiles, formellement désigné par les paléontologues allemands Friedrich Quenstedt et Albert Oppel comme une « zone » biostratigraphique. Ces zones peuvent ensuite être suivies sur de vastes régions, et éventuellement à l'échelle mondiale. Des groupes de zones ont été utilisés pour établir des intervalles plus larges de stratigraphie, connus sous les noms de « stages » géologiques et de « systèmes » géologiques. Le temps correspondant à la plupart de ces intervalles de roches est devenu connu sous les noms de « périodes » et d'« âges » géologiques, respectivement. À la fin des années 1830, la plupart des périodes géologiques actuellement utilisées avaient été établies sur la base de leur contenu fossile et de leur position relative observée dans la stratigraphie (par exemple, Cambrien (1835), Ordovicien (1879), Silurien (1835), Dévonien (1839), Carbonifère (1822), Permien (1841), Trias (1834), Jurassique (1829), Crétacé (1823), Tertiaire (1759) et Pléistocène (1839)). Ces termes ont été précédés, par des décennies, d'autres termes pour diverses subdivisions géologiques, et bien qu'il y ait eu par la suite des débats sur leurs limites exactes (par exemple, entre les périodes du Cambrien et du Silurien, qui ont été résolus par la proposition de la période Ordovicienne entre elles), les descriptions historiques et la succession fossile seraient facilement reconnaissables aujourd'hui.

Dans les années 1830, la succession des fossiles avait été étudiée de plus en plus, de sorte que l'histoire générale de la vie sur Terre était bien comprise, indépendamment du débat sur les noms appliqués à ses différentes parties et sur l'endroit exact où faire les divisions. Tous les paléontologues reconnaissaient des tendances incontestables en morphologie au fil du temps dans la succession des organismes fossiles. Cette observation a conduit à des tentatives d'expliquer la succession des fossiles par divers mécanismes. Peut-être l'exemple le plus connu est la théorie de l'évolution par sélection naturelle de Darwin. Notez que chronologiquement, la succession des fossiles était bien et indépendamment établie bien avant que la théorie évolutionniste de Darwin ne soit proposée en 1859. La succession des fossiles et l'échelle des temps géologiques sont contraintes par l'ordre observé de la stratigraphie -- essentiellement la géométrie -- pas par la théorie évolutionniste.

Datation radiométrique : Étalonnage de l'échelle de temps relative

Pendant près de 100 ans, les géologues ont travaillé en utilisant des méthodes de datation relative, basées sur les principes fondamentaux de la géologie et la succession des fossiles (biostratigraphie). Diverses tentatives ont été entreprises dès le XVIIIe siècle pour estimer scientifiquement l'âge de la Terre, et plus tard, pour utiliser cette estimation afin d'étalonner l'échelle de temps relative à des valeurs numériques (voir "Changing views of the history of the Earth" de Richard Harter et Chris Stassen). La plupart des premières tentatives se basaient sur les taux de dépôt, d'érosion et d'autres processus géologiques, ce qui a donné des estimations de temps incertaines, mais qui indiquaient clairement que l'histoire de la Terre était d'au moins 100 millions d'années ou plus. Un défi à cette interprétation est venu sous la forme des calculs de Lord Kelvin (William Thomson) sur le flux de chaleur de la Terre, et les implications que cela avait pour l'âge : plutôt que des centaines de millions d'années, la Terre pourrait être aussi jeune que quelques dizaines de millions d'années. Cette évaluation a ensuite été invalidée par la découverte de la radioactivité à la fin du XIXe siècle, qui constituait une source de chaleur non prise en compte dans les calculs originaux de Kelvin. Une fois celle-ci prise en compte, la Terre pouvait être bien plus ancienne. Les estimations de l'âge de la Terre sont revenues aux méthodes précédentes.

La découverte de la radioactivité a également eu un autre effet secondaire, bien que son importance supplémentaire pour la géologie ne soit devenue apparente et que les techniques ne soient pas affinées plusieurs décennies plus tard. En raison de la chimie des roches, il était possible de calculer la quantité de désintégration radioactive survenue depuis la formation d'un minéral approprié, et le temps écoulé en conséquence, en examinant le rapport entre l'isotope radioactif original et son produit, si le taux de désintégration était connu. De nombreuses complications géologiques et difficultés de mesure existaient, mais les premières tentatives de la méthode ont clairement démontré que la Terre était très ancienne. En fait, les chiffres qui sont devenus disponibles étaient significativement plus anciens que ce que même certains géologues s'attendaient -- plutôt que des centaines de millions d'années, qui était l'âge minimum attendu, l'histoire de la Terre était clairement d'au moins plusieurs milliards d'années.

La datation radiométrique fournit des valeurs numériques pour l'âge d'un rocher approprié, généralement exprimées en millions d'années. Par conséquent, en datant une série de roches dans une succession verticale de strates précédemment identifiées selon les principes géologiques de base (voir Principes stratigraphiques et temps relatif), elle peut fournir une calibration numérique pour ce qui serait autrement seulement un ordre d'événements – c'est-à-dire la datation relative obtenue à partir de la biostratigraphie (fossiles), des relations de superposition, ou d'autres techniques. L'intégration de la datation relative et de la datation radiométrique a abouti à une série d'échelles de temps géologiques « absolues » (c'est-à-dire numériques) de plus en plus précises, débutant vers les années 1910 à 1930 (estimations simples d'isotopes radioactifs) et devenant plus précises à mesure que les méthodes modernes de datation radiométrique ont été employées (débutant vers les années 1950).¹

Exemple théorique

Pour montrer comment les méthodes de datation relative et de datation numérique/absolue sont intégrées, il est utile d'examiner d'abord un exemple théorique. Compte tenu du contexte ci-dessus, les informations utilisées pour une échelle de temps géologique peuvent être reliées comme suit :

Une section stratigraphique verticale continue fournira l'ordre d'apparition des événements (colonne 1 de la Figure 2). Ceux-ci sont résumés en termes d'une « échelle de temps relative » (colonne 2 de la Figure 2). Les géologues peuvent se référer à des intervalles de temps comme étant « avant la première apparition de l'espèce A » ou « pendant l'existence de l'espèce A », ou « après l'éruption volcanique n°1 » (au moins six subdivisions sont possibles dans l'exemple de la Figure 2). Pour que ce type de « datation relative » fonctionne, il doit être connu que la succession des événements est unique (ou du moins que les événements dupliqués sont reconnus – par exemple, le « premier lit de cendres » et le « deuxième lit de cendres ») et approximativement synchrones sur la zone d'intérêt. Les événements uniques peuvent être biologiques (par exemple, la première apparition d'une espèce particulière d'organismes) ou non biologiques (par exemple, le dépôt de cendres volcaniques avec une chimie et une minéralogie uniques sur une vaste zone), et ils auront des degrés variables d'étendue latérale. Idéalement, les géologues recherchent des événements qui sont incontestablement uniques, dans un ordre cohérent, et d'étendue mondiale afin de construire une échelle de temps géologique avec une signification mondiale. Certains de ces événements existent bel et bien. Par exemple, la frontière entre les périodes Crétacé et Tertiaire est reconnue sur la base de l'extinction d'un grand nombre d'organismes à l'échelle mondiale (y compris les ammonites, les dinosaures et d'autres), la première apparition de nouveaux types d'organismes, la présence de anomalies géochimiques (notamment l'iridium), et des types inhabituels de minéraux liés aux processus d'impact de météorites (sphérules d'impact et quartz choqué). Ces types d'événements distinctifs fournissent une confirmation que la stratigraphie de la Terre est véritablement successive à l'échelle mondiale. Même sans cette connaissance, il est toujours possible de construire des échelles de temps géologiques locales.

Même si l'idée selon laquelle des événements physiques et biotiques uniques sont synchrones pourrait sembler être une « hypothèse », ce n'est pas le cas. Elle a été et peut être testée de innombrables façons depuis le XIXe siècle, dans certains cas en suivant physiquement des unités distinctes latéralement sur des centaines ou des milliers de kilomètres et en examinant très attentivement si l'ordre des événements change. Les géologues trouvent parfois des événements qui sont « diachrones » (c'est-à-dire pas du même âge partout), mais malgré cette prudence méritée, après des tests approfondis, il est évident que de nombreux événements sont réellement synchrones dans les limites de la résolution offerte par le registre fossile.

Puisque toute nouvelle localité étudiée disposera de données fossiles, stratigraphiques ou radiométriques indépendantes qui n'ont pas encore été intégrées à l'échelle géologique globale, tous les types de données servent à la fois de test indépendant les uns des autres (à l'échelle locale) et de test de l'échelle géologique globale elle-même. Le test ne se limite pas à une évaluation de « juste » ou de « faux », car il existe un certain niveau d'incertitude dans toutes les déterminations d'âge. Par exemple, une incohérence peut indiquer qu'une frontière géologique particulière s'est produite il y a 76 millions d'années plutôt qu'il y a 75 millions d'années, ce qui pourrait justifier une révision de l'estimation de l'âge, mais ne rend pas l'estimation initiale manifestement « fausse ». Cela dépend de la situation exacte et de la quantité de données disponibles pour tester les hypothèses (par exemple, la répartition d'un fossile pourrait-elle être légèrement différente de ce qui était pensé précédemment, ou la frontière entre deux périodes géologiques pourrait-elle avoir un âge numérique légèrement différent ?). Quelle que soit la situation, l'échelle géologique globale actuelle fait des prédictions concernant les relations entre la datation relative et absolue à l'échelle locale, et l'apport de nouvelles données signifie que l'échelle géologique globale est continuellement affinée et connue avec une précision croissante. Cette tendance peut être observée en examinant l'histoire des échelles géologiques proposées (décrite dans le premier chapitre de [Harland et al, 1982, p.4-5], et voir ci-dessous).

Circularité ?

La partie malheureuse du processus naturel d'affinement des échelles de temps est l'apparence de circularité si les gens ne regardent pas suffisamment attentivement la source des données. Le plus souvent, cela se caractérise par des énoncés trop simplistes comme :

« Les fossiles datent la roche, et la roche date les fossiles. »

Même certains géologues ont énoncé cette idée fausse (en termes légèrement différents) dans des ouvrages apparemment autoritaires (par exemple, Rastall, 1956), ce qui la rend persistante, même si elle est catégoriquement erronée (voir Harper (1980), p. 246-247 pour une réfutation approfondie, bien qu'il s'agisse d'une explication plutôt technique).

Lorsqu'un géologue collecte un échantillon de roche pour la datation radiométrique de l'âge, ou lorsqu'il collecte un fossile, il existe des contraintes indépendantes sur l'âge relatif et numérique des données résultantes. La position stratigraphique est une évidence, mais il en existe beaucoup d'autres. Il n'y a aucun moyen pour un géologue de choisir quelle valeur numérique une date radiométrique donnera, ou à quelle position un fossile sera trouvé dans une section stratigraphique. Chaque pièce de données collectée de cette manière est une vérification indépendante de ce qui a été précédemment étudié. Les données sont déterminées par les roches, et non par des notions préconçues sur ce qui sera trouvé. Chaque fois qu'une roche est ramassée, c'est un test des prédictions faites par la compréhension actuelle de l'échelle des temps géologiques. L'échelle des temps est affinée pour refléter les relativement peu nombreuses et progressivement plus petites incohérences qui sont trouvées. Ce n'est pas de la circularité, c'est le processus scientifique normal d'affiner sa compréhension avec de nouvelles données. Cela se produit dans toutes les sciences.

Si un point de données incohérent est trouvé, les géologes se posent la question : « Cette date est-elle fausse, ou indique-t-elle que l'échelle géologique actuelle est erronée ? » En général, la première hypothèse est plus probable, car il existe une quantité si vaste de données derrière la compréhension actuelle de l'échelle des temps, et parce que l'on ne s'attend pas à ce que chaque roche conserve un système isotopique pendant des millions d'années. Cependant, cette probabilité statistique n'est pas supposée, elle est testée, généralement en utilisant d'autres méthodes (par exemple, d'autres méthodes de datation radiométrique ou d'autres types de fossiles), en réexaminant les données incohérentes plus en détail, en recueillant des échantillons de meilleure qualité, ou en les refaisant au laboratoire. Les géologes cherchent une explication à l'incohérence et ne décideront pas arbitrairement que, « parce qu'il y a conflit, les données doivent être fausses. »

S'il s'agit d'une petite mais significative incohérence, elle pourrait indiquer que l'échelle des temps géologiques nécessite une petite révision. Cela arrive régulièrement. La révision continue de l'échelle des temps à la suite de nouvelles données démontre que les géologues sont prêts à la remettre en question et à la modifier. L'échelle des temps géologiques est loin d'être un dogme.

Si les nouvelles données présentent une grande incohérence (par « grande », j'entends des ordres de grandeur), il est beaucoup plus probable qu'il s'agisse d'un problème lié aux nouvelles données, mais les géologues ne sont pas satisfaits tant qu'une explication géologique spécifique n'a pas été trouvée et testée. Une incohérence signifie souvent que quelque chose de géologiquement intéressant se produit, et il existe toujours une toute petite possibilité qu'il s'agisse du début d'une révolution dans la compréhension de l'histoire géologique. Il est vrai que cette dernière possibilité est TRÈS improbable. Il y a presque zéro chance que la compréhension générale de l'histoire géologique (par exemple, que la Terre a des milliards d'années) change. La quantité de données soutenant cette interprétation est immense, elle provient de nombreux domaines et méthodes (pas seulement la datation radiométrique), et une découverte devrait être trouvée qui invaliderait pratiquement toutes les données précédentes pour que l'interprétation change considérablement. Jusqu'à présent, je ne connais aucune théorie valide qui explique comment cela pourrait se produire, encore moins des preuves en faveur d'une telle théorie, bien qu'il y ait eu des tentatives hautement fallacieuses (par exemple, les affirmations classiques sur la « poussière lunaire », le « déclin du champ magnétique de la Terre » et le « sel dans les océans »).

Exemples spécifiques : lorsque la datation radiométrique « fonctionne simplement » (ou non)

Un mauvais exemple

There are many situations where radiometric dating is not possible, or where a dating attempt will be fraught with difficulty. This is the inevitable nature of rocks that have experienced millions of years of history: not all of them will preserve their age of origin intact, not every rock will have appropriate chemistry and mineralogy, no sample is perfect, and there is no dating method that can effectively date rocks of quelconque age or rock type. For example, methods with very slow decay rates will be poor for extremely young rocks, and rocks that are low in potassium (K) will be inappropriate for K/Ar dating. The real question is what happens when conditions are ideal, versus when they are marginal, because ideal samples should give the most reliable dates. If there are good reasons to expect problems with a sample, it is hardly surprising if there are!

Par exemple, dans l'appendice « Dating Game » de son livre « Bones of Contention » (1992), Marvin Lubenow a fourni un exemple de ce qui se produit lorsqu'un échantillon géologiquement complexe est daté : il peut être très difficile à analyser. Il a discuté du « KBS tuff » près du lac Turkana en Afrique, qui est une cendre volcanique redeposée. Il contient un mélange de minéraux provenant d'une éruption volcanique et de grains minéraux détritiques érodés d'autres roches plus anciennes. Il s'agit également d'un échantillon relativement « jeune », approchant la limite pratique des méthodes de datation radiométrique employées (datation K/Ar conventionnelle), en particulier au moment des tentatives initiales de datation en 1969. Si l'âge de cette unité n'était pas si crucial pour les fossiles hominidés associés importants, il n'aurait probablement pas été daté du tout en raison des problèmes potentiels. Après quelques difficultés initiales et prolongées sur de nombreuses années, le lit a finalement été daté avec succès grâce à une préparation minutieuse de l'échantillon qui a éliminé les minéraux détritiques. Le travail de Lubenow est relativement unique en caractérisant le processus scientifique normal d'affinement d'une date difficile comme un « jeu » arbitraire et inapproprié, et en documentant l'histoire du processus en détail, comme si de tels problèmes étaient typiques. Un autre exemple est l'article de « John Woodmorappe » sur la datation radiométrique (1979), qui adopte une approche de « compilation » et n'accorde qu'un traitement superficiel aux dates individuelles. Parmi d'autres problèmes documentés dans une FAQ de Steven Schimmrich, de nombreux exemples de Woodmorappe négligent les complexités géologiques qui sont susceptibles de causer des problèmes pour certains échantillons datés radiométriquement.

Un bon exemple

By contrast, the example presented here is a geologically simple situation -- it consists of several primary (i.e. non redeposited) volcanic ash deposits with a diverse dateable mineral assemblage (multiple minerals and methods are possible), found in fossil-bearing sedimentary rocks in western North America. It demonstrates how consistent radiometric data can be when the rocks are more suitable for dating. For most geological samples like this, radiometric dating "just works". Consider this stratigraphic section from the Bearpaw Formation of Saskatchewan, Canada (Baadsgaard et al., 1993):

Cette section est importante car elle fixe une limite à l'âge le plus jeune d'un ammonite spécifique -- Baculites reesidei -- qui est utilisé comme fossile zonal en Amérique du Nord occidentale. Il se trouve systématiquement en dessous de la première occurrence de Baculites jenseni et au-dessus de l'occurrence de Baculites cuneatus au sein de la partie supérieure du Campanien, le deuxième dernier « étage » de la période Crétacée dans l'échelle de temps géologique mondiale. La situation biostratigraphique peut être résumée comme une séquence empilée verticalement de « zones » définies par l'apparition première de chaque espèce d'ammonite :

Environ 40 de ces zones à ammonites sont utilisées pour subdiviser la partie supérieure du Crétacé dans cette région. Des dinosaures et de nombreux autres types de fossiles sont également trouvés dans cet intervalle, et dans un contexte général, il se situe peu avant l'extinction des dinosaures et l'extinction de tous les ammonites. La Formation de Bearpaw est une unité marine qui s'étend sur une grande partie de l'Alberta et de la Saskatchewan, et elle continue dans le Montana et le Dakota du Nord aux États-Unis, bien qu'elle adopte un nom différent aux États-Unis (le Shale de Pierre), principalement pour des raisons historiques et politiques, plutôt que pour toute grande différence géologique.

La couche de cendres supérieure, datée par trois méthodes indépendantes (K/Ar, U/Pb et Rb/Sr) et à partir de jusqu'à trois minéraux différents (feldspath, biotite et zircon), donne une date d'environ 72,5 ± 0,4 millions d'années (Ma) (moyenne pondérée de plusieurs analyses. Les chiffres ci-dessus sont simplement des valeurs récapitulatives). Les résultats pour la couche de cendres inférieure, bien que moins complets que pour la couche supérieure (seule la méthode de l'isochrone Rb/Sr -- l'isochrone U/Pb était discordante, indiquant que les minéraux n'avaient pas préservé la date), donnent le résultat attendu des relations de superposition -- elle est plus ancienne d'environ un million d'années (73,65 ± 0,59 Ma), en prenant les valeurs moyennes.

D'autres exemples donnent des résultats similaires, c'est-à-dire compatibles avec les attentes issues de la stratigraphie. Par exemple, Baadsgaard et Lerbekmo (1988) ont daté l'âge de la limite Crétacé-Tertiaire (K/T) en utilisant trois méthodes (K/Ar, Rb/Sr et U/Pb, à nouveau en utilisant plusieurs minéraux) à trois localités aux États-Unis et au Canada. Théoriquement, la limite K/T devrait être plus récente que la zone de Baculites reesidei mentionnée ci-dessus, car la limite K/T se situe stratigraphiquement au-dessus de ce niveau dans la même région et à l'échelle mondiale. Le résultat ? 64,3±1,2 millions d'années est la moyenne pondérée issue des trois localités, et presque tous les résultats se situent à moins d'un million d'années les uns des autres. Les résultats sont donc hautement cohérents compte tenu des incertitudes analytiques inhérentes à toute mesure.

Eberth et Braman (1990) ont décrit la paléontologie des vertébrés et la sédimentologie de la Formation de Judith River, une unité contenant des dinosaures qui se trouve stratigraphiquement en dessous de la zone Baculites reesidei (la Formation de Judith River se trouve en dessous de la Formation de Bearpaw). Il en découle qu'elle doit donc être plus ancienne que les résultats de Baadsgaard et al. (1993). Une couche de cendres près du sommet de la Formation de Judith River Fm. donne une date de 76,11±0,22 millions d'années, tandis qu'une couche presque 100 m plus bas donne une date de 78,2±0,2 millions d'années (Eberth et Braman, 1990, figure 5). Encore une fois, cela est compatible avec l'âge déterminé pour la zone Baculites reesidei et sa position stratigraphique relative, et même avec la position relative des deux échantillons au sein de la même formation.

Comment ces dates se comparent-elles à l'échelle des temps géologiques (alors en vigueur) ? Harland et al. ont proposé une échelle des temps en 1982 sur la base des données alors disponibles, et avant les études spécifiques citées ci-dessus. Voici les chiffres qu'ils ont appliqués aux limites géologiques dans cet intervalle, comparés aux chiffres des études plus récentes :

Comme vous pouvez le constater, les chiffres de la dernière colonne sont essentiellement compatibles. Les sceptiques des procédures de datation radiométrique affirment parfois que ces techniques ne devraient pas fonctionner de manière fiable, ou seulement rarement, mais clairement les résultats sont similaires : pour des intervalles qui devraient avoir environ 70 à 80 millions d'années, les dates radiométriques ne donnent pas (par exemple) 100 ou 30 millions d'années, encore moins 1000 ans, 100 000 ans ou 1 milliard. La plupart du temps, la technique fonctionne extrêmement bien à première approximation.

Cependant, il existe quelques différences mineures. Les dates de la limite Crétacé/Tertiaire diffèrent légèrement, mais restent dans les incertitudes de mesure de la nouvelle date. La date pour la zone de Baculites reesidei est au moins de 0,1 million d'années hors cible (en prenant la limite externe de l'incertitude des données), et se situe en dessous de la limite Campanien/Maastrichtien, de sorte que l'incohérence pourrait être encore plus grande. Que faire ? Eh bien, la procédure scientifique standard consiste à collecter plus de données pour tester les explications possibles : est-ce l'échelle de temps ou les données qui sont incorrectes ?

Obradovich (1993) a mesuré un grand nombre de datations radiométriques de haute qualité de la période du Crétacé et a révisé l'échelle des temps géologiques pour cet intervalle. Plus précisément, il propose un âge de 71,3 millions d'années pour la limite Campanien/Maastrichtien au-dessus de la zone à ammonite Baculites jenseni, basé sur des datations indépendantes d'autres sites. Cela est entièrement compatible avec les données de Baadsgaard et al. (1993), rendant probable que la date révisée et plus jeune pour la limite Campanien/Maastrichtien soit la bonne par rapport à Harland et al. (1982). Les autres datations sont entièrement cohérentes avec une limite inférieure du Campanien de 83±1 millions d'années avant notre ère, comme suggéré par Harland et al. (1982) (que Obradovich révisé à 83,5±0,5 Ma). En résumé, il semble que la limite Campanien/Maastrichtien de Harland et al. (1982) était légèrement inexacte, mais tout le reste est essentiellement cohérent dans les limites des incertitudes de mesure.

Conclusions

Les sceptiques de la géologie conventionnelle pourraient penser que les scientifiques s'attendent à ce que, ou du moins préfèrent, que chaque date soit parfaitement cohérente avec l'échelle des temps géologiques actuelle, mais, de manière réaliste, ce n'est pas ainsi que fonctionne la science. L'âge d'un échantillon particulier et une échelle des temps géologiques particulière ne représentent que la compréhension actuelle, et la science est un processus d'affinement de cette compréhension. En soutien à ce schéma, il existe une tendance incontestable à des révisions de l'échelle des temps de plus en plus petites à mesure que l'ensemble de données devient plus vaste et plus précis (Harland et al. 1982, p.4-5). Si quelque chose était gravement erroné dans l'échelle des temps géologique actuelle, on s'attendrait à ce que les incohérences augmentent en nombre et en gravité, mais ce n'est pas le cas.

Par exemple, les estimations de l'âge des limites du Tertiaire variaient régulièrement de 20 à 30 % dans les années 1930 à 1970. Depuis cette époque, elles varient de beaucoup moins, rarement approchant 5 % (voir à nouveau Harland et al., 1982, p.4-5). La même tendance peut être observée pour d'autres périodes. Palmer (1983) et Harland et al. (1990) présentent une proposition plus récente pour l'échelle des temps géologiques, démontrant que le changement se poursuit encore. Le dernier inclut un excellent diagramme résumant les comparaisons entre les échelles de temps antérieures (Harland et al., 1990, p.8). Depuis 1990, il y a eu encore plus de révisions par d'autres auteurs, tels que Obradovich (1993) pour le Crétacé, et Gradstein et al. (1995) pour tout le Mésozoïque.

Comme un autre exemple, Rogers et al. (1993) et Goodwin et Deino (1989) présentent des datations radiométriques qui encadrent les âges des occurrences de fossiles du Crétacé supérieur (c'est-à-dire des dates au-dessus et en dessous des fossiles) et fournissent plus de résultats cohérents avec les prédictions du calendrier géologique actuel. Ce n'est pas rare. Outre les articles mentionnés ici, il existe des centaines, voire des milliers, d'articles similaires fournissant des gammes d'encadrement pour les occurrences de fossiles. La synthèse de travaux tels que celui-ci par des milliers de chercheurs internationaux sur plusieurs décennies est ce qui définit, en premier lieu, les échelles de temps géologiques (voir Harland et al., 1982, 1990 pour certaines des méthodes). Bien que les géologues puissent et fassent légitimement des réserves sur l'âge exact d'un fossile ou d'une formation donné (par exemple, est-il vieux de 100 millions d'années ou 110 millions ?) et que des échantillons généralement problématiques existent bel et bien, les affirmations selon lesquelles la datation radiométrique est si peu fiable que l'étalonnage de l'échelle de temps géologique pourrait être modifié de plusieurs ordres de grandeur (10 000x, 1 000x, voire 10x) sont ridicules d'un point de vue scientifique. Les données ne soutiennent pas une telle interprétation. Les méthodes fonctionnent trop bien la plupart du temps.

En outre, les preuves provenant d'autres aspects de la géologie (p. ex., les estimations du taux de dépôt et des taux d'autres processus géologiques) soutiennent l'âge avancé de la Terre. Avant la disponibilité de la datation radiométrique, et même avant la théorie de l'évolution, la Terre était estimée à au moins des centaines de millions d'années (voir ci-dessus). La datation radiométrique a simplement rendu les estimations plus précises et les a étendues aux roches dépourvues de fossiles et d'autres outils stratigraphiques.

L'échelle des temps géologiques et les techniques utilisées pour la définir ne sont pas circulaires. Elles reposent sur les mêmes principes scientifiques que ceux utilisés pour affiner tout concept scientifique : tester des hypothèses avec des données. Il existe des tests indépendants innombrables qui peuvent identifier et résoudre les incohérences dans les données. Cela rend l'échelle des temps géologiques tout à fait comparable aux autres aspects de l'étude scientifique.

Pour les critiques potentiels : Réfuter l'échelle des temps géologiques conventionnelle n'est pas un exercice consistant à collecter des exemples des pires échantillons possibles. Une critique de l'échelle des temps géologiques conventionnelle devrait aborder les meilleures données les plus cohérentes disponibles et les expliquer avec une interprétation alternative, car ce sont ces données qui comptent réellement pour la compréhension actuelle du temps géologique.

Références (voir également "Autres sources")

Baadsgaard, H.; Lerbekmo, J.F.; Wijbrans, J.R., 1993. Âge radiométrique multiméthode pour une bentonite près du sommet de la zone de Baculites reesidei du sud-ouest de la Saskatchewan (frontière Campanien-Maastrichtien ?). Canadian Journal of Earth Sciences, v.30, p.769-775.

Baadsgaard, H. et Lerbekmo, J.F., 1988. Une datation radiométrique de la limite Crétacé-Tertiaire basée sur les âges K-Ar, Rb-Sr et U-Pb de bentonites de l'Alberta, de la Saskatchewan et du Montana. Canadian Journal of Earth Sciences, v.25, p.1088-1097.

Eberth, D.A. et Braman, D., 1990. Stratigraphie, sédimentologie et paléontologie des vertébrés de la Formation de Judith River (Campanien) près du lac Muddy, Saskatchewan centre-ouest. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, v.38, no.4, p.387-406.

Goodwin, M.B. et Deino, A.L., 1989. Les premiers âges radiométriques de la Formation de Judith River (Crétacé supérieur), comté de Hill, Montana. Canadian Journal of Earth Sciences, v.26, p.1384-1391.

Gradstein, F. M.; Agterberg, F.P.; Ogg, J.G.; Hardenbol, J.; van Veen, P.; Thierry, J. et Zehui Huang., 1995. Une échelle des temps du Trias, du Jurassique et du Crétacé. IN : Bergren, W. A. ; Kent, D.V.; Aubry, M-P. et Hardenbol, J. (éd.), Géochronologie, échelles des temps et corrélation stratigraphique mondiale. Société des paléontologues et géologues économiques, Publication spéciale n° 54, p.95-126.

Harland, W.B., Cox, A.V.; Llewellyn, P.G.; Pickton, C.A.G.; Smith, A.G.; et Walters, R., 1982. Une échelle des temps géologiques : édition 1982. Cambridge University Press : Cambridge, 131 p.

Harland, W.B.; Armstrong, R.L.; Cox, A.V.; Craig, L.E.; Smith, A.G.; Smith, D.G., 1990. Une échelle des temps géologiques, édition 1989. Cambridge University Press : Cambridge, p.1-263. ISBN 0-521-38765-5

Harper, C.W., Jr., 1980. Inférence de l'âge relatif en paléontologie. Lethaia, v.13, p.239-248.

Lubenow, M.L., 1992. Bones of Contention: A Creationist Assessment of Human Fossils. Baker Book House: Grand Rapids.

Obradovich, J.D., 1993. Une échelle de temps du Crétacé. DANS : Caldwell, W.G.E. et Kauffman, E.G. (éd.). Évolution du bassin de l'intérieur occidental. Geological Association of Canada, Special Paper 39, p.379-396.

Palmer, Allison R. (compilateur), 1983. The Decade of North American Geology 1983 Échelle des temps géologiques. Geology, v.11, p.503-504. [Également disponible en ligne sur le site web de la Société géologique des États-Unis à http://www.geosociety.org/pubs/public/geotime1.htm {Lien maintenant rompu. Voir la copie archivée à la place. -- 12 septembre 2004 } ]

Rastall, R.H., 1956. Géologie. Encyclopædia Britannica 10, p.168. Encyclopædia Britannica, Inc. : Chicago. [Tel que cité dans Harper (1980).]

Rogers, R.R.; Swisher, C.C. III, Horner, J.R., 1993. Âge et corrélation par 40Ar/39Ar de la formation non marine Two Medicine (Crétacé supérieur), nord-ouest du Montana, États-Unis. Canadian Journal of Earth Sciences, v.30, 1066-1075.

Woodmorappe, J. (pseudonyme), 1979. Radiometric Geochronology Reappraised. Creation Research Society Quarterly, v.16, p.102-129. [Également disponible dans le livre "Studies in Flood Geology", publié par l'Institute for Creation Research.]

Autres Sources

Ce document aborde la manière dont la datation radiométrique est utilisée en géologie plutôt que les détails du fonctionnement des techniques de datation radiométrique. Il suppose donc que le lecteur possède déjà une certaine familiarité avec la datation radiométrique. Pour une introduction technique aux méthodes, je recommande vivement ces deux livres :

An excellent introduction to radiometric dating can also be found in the talk.origins FAQ archive: Both are by Chris Stassen.

Une excellente source sur l'intégration de la datation radiométrique, de la biostratigraphie (l'étude de la succession des fossiles) et des principes stratigraphiques généraux est :

The history of the geologic time scale is ably described in:

Et un bon résumé se trouve dans "Changing views of the history of the Earth" de Richard Harter et Chris Stassen.

Notes

¹ Techniquement, ces échelles de temps géologiques sont connues sous le nom d'« échelles géochronologiques », et il existe une dualité conceptuellement délicate entre la roche, le temps représenté par la roche, et l'étalonnage du temps relatif à une échelle absolue. Une profusion de termes est appliquée aux différents concepts, et, de manière confuse pour les non-initiés, aux noms appliqués aux subdivisions de ceux-ci (par exemple, « Crétacé »). Les « Périodes » géologiques (temps) et les « Systèmes » géologiques (roche) sont des concepts différents, même si la même étiquette (par exemple, « Crétacé ») peut leur être appliquée. La différence sémantique existe pour distinguer les différents (mais corrélables) types d'observations et d'interprétations qui y sont intégrés. Pour des raisons de simplicité, je m'en tiens aux concepts de temps « relatif » et « absolu » (numérique), car ceux-ci sont couramment utilisés, et je passe sous silence la nature duale des subdivisions. Ces questions sont expliquées en beaucoup plus de détail dans les citations mentionnées dans « Autres sources », en particulier Blatt (et al., 1991).

Remerciements

Ceci est ma troisième révision d'une FAQ sur l'application des méthodes de datation. Elle bénéficie des commentaires de plusieurs réviseurs informels. Malheureusement, certains datent de si longtemps que je n'ai plus tous leurs noms :-( Mais je tiens à les remercier tous de même, ainsi que quatre d'entre eux dont je me souviens : Stanley Friesen, Chris Stassen, Mark Isaak et Martyne Brotherton. Je remercie également Brett Vickers pour la maintenance de l'archive TalkOrigins.