Carbone-14

A chaque fois qu'il est question de datation de roches ou d'autres matériaux anciens, on invoque inévitablement l'incontournable Carbone-14 (¹⁴C).
Le ¹⁴C est en effet une méthode très utile pour la datation de certains matériaux géologiques, et particulièrement de matériaux archéologiques.

La méthode utilise la réaction de désintégration du carbone-14 en azote-14.
Il faut savoir que le carbone commun dans la nature a une masse atomique de 12 (¹²C). Il se combine à l'oxygène atmosphérique (CO₂) pour former du CO₂ dans lequel le carbone a une masse atomique de 12, soit le ¹²CO₂.
Mais en plus du ¹²C, il y a aussi, en bien plus faible quantité, du carbone de masse 13 (¹³C) et du carbone de masse 14 (¹⁴C) ; ces trois formes, de masse atomique différente pour un même élément, sont ce qu'on appelle des isotopes.
Le ¹²C et le ¹³C sont des isotopes stables, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas radioactifs, tandis que le ¹⁴C est un isotope radioactif ; c'est lui qu'on utilise pour les datations.

Pour bien comprendre la méthode, il nous faut voir d'où vient le ¹⁴C et comment ce ¹⁴C est fixé, avec du ¹²C, par les organismes vivants, végétaux et animaux.

Le bombardement des gazgaz de la haute atmosphèreatmosphère par les rayons cosmiquesrayons cosmiques fait que l'azote, de masse atomique 14 (¹⁴N) se transforme en ¹⁴C qui se combine à l'oxygène libre (O₂) pour former du CO₂, mais un CO₂  particulier où le carbone est de masse atomique 14, soit le ¹⁴CO₂.
Ce ¹⁴CO₂ se mélange au CO₂ qui vient des autres sources, comme des volcansvolcans et de l'oxydationoxydation des matièresmatières organiques ou, aujourd'hui, de la combustioncombustion des hydrocarbureshydrocarbures.
Le CO₂ qui provient du cycle photosynthèsephotosynthèse-oxydation des matières organiques est aussi particulier. En effet, la photosynthèse consomme du CO₂ atmosphérique, c'est-à-dire un CO₂ qui contient en partie du ¹²C et en partie du ¹⁴C. C'est donc dire que la matière organique des végétaux et des animaux (qui consomment les végétaux) contiendra une certaine quantité de ¹⁴C. C'est ce ¹⁴C qui est utilisé pour les datations.

Au départ donc, toute matière organique vivante (végétaux ou animaux) contient du ¹²C et du ¹⁴C (ainsi qu'une faible quantité de ¹³C). La proportion entre ¹⁴C et ¹²C dans les tissus organiques et le squelette métabolisés par l'organisme demeure la même tout au long de la vie de l'organisme, un rapport correspondant à celui qui se trouve dans le CO2 atmosphérique.
En pratique, on peut donc dire que l'horloge démarre avec la mort de l'organisme ; la proportion commence alors à changer à cause de la désintégration du ¹⁴C et du fait que le ¹²C demeure stable.
Le produit de la désintégration du ¹⁴C, l'azote 14, est un gaz qui s'échappe dans la nature.

En pratique, puisque le ¹²C est stable, on mesure le rapport entre, ¹⁴C et ¹²C. Connaissant le rapport qui existe dans la nature entre ¹⁴C et ¹²C, ainsi que la constante de désintégration, on peut comme dans les autres méthodes, calculer le temps qui s'est écoulé depuis la mort de l'organisme qui a fixé le carbone dans ses tissus ou son squelette. Par conséquent, l'âge que l'on obtient avec la méthode du ¹⁴C, c'est l'âge de la mort de l'organisme (du boisbois, des coquillages, de la tourbe, des tissus de linlin, cotton, laine, etc...).

Mais la proportion ¹⁴C/¹²C est-elle vraiment demeurée constante à travers les temps géologiques ?
Dans la méthode de datation par ¹⁴C, on prend pour acquis que la proportion ¹⁴C/¹²C n'a pas changé avec le temps géologique, ... ce qui n'est pas vrai. En effet, on sait aujourd'hui que cette proportion a varié avec le temps. On le sait par exemple en comparant l'âge obtenu à partir du ¹⁴C et l'âge obtenu en comptant les anneaux des arbresarbres (dendrochronologiedendrochronologie) ou encore les varvesvarves (dépôts saisonniers) dans les lacs. On sait que la production de ¹⁴C a été en général plus élevée dans le passé, ce qui implique que les âges non corrigés sont en fait plus jeunes que ce qu'ils devraient être en réalité.
C'est pourquoi, il faut apporter des corrections. Ainsi, pour la période entre -20 et -40 Ka, on apporte une correction de l'ordre de 10% (on vieilli les âges de 2 à 3 Ka) ; ce pourcentage diminue pour des âges plus récents. Même avec un facteur aussi grand que 10% (ce qui n'est pas le cas), le suaire de Thurin ne pourrait être vieilli de ...700 ans ! (voir plus bas).

La croyance populaire est à l'effet qu'on puisse dater n'importe quoi avec le ¹⁴C. Il faut bien voir, et c'est très important, que cette méthode ne s'applique qu'aux matériaux qui ont déjà été vivants, comme du bois, des coquilles, du lin, etc. Inutile de penser dater des outils de métalmétal ou des pointes de flèches en silex (SiO₂) avec cette méthode.

Il y a une autre limitation très importante à la méthode : le temps impliqué. Avec les méthodes de l'uraniumuranium-plombplomb, du rubidiumrubidium-strontiumstrontium ou même du potassiumpotassium-argonargon (voir plus-haut), la demie-vie s'exprime en milliards d'années. Avec le ¹⁴C, on parle d'une demie-vie de 5730 ans. Le schéma qui suit montre l'implication d'une demie-vie aussi courte.

Au temps 0, on a 100% de ¹⁴C (barre rose). Après 5730 ans (la demie-vie de la désintégration), la moitié du ¹⁴C est désintégrée. Après un autre 5730 ans (11,460 ans au total), la moitié de la moitié est désintégrée ; il reste le quart du ¹⁴C originel. Après un autre 5730 ans, il en reste 1/8, ... et ainsi de suite. Après 74,490 ans, il reste 1/8192 (= 0,000122) du ¹⁴C originelle.

C'est peu, d'autant plus qu'au départ, la quantité de ¹⁴C par rapport au ¹²C était déjà faible. Analyser une si faible quantité devient très difficile. En pratique donc, le ¹⁴C est utile pour dater des objets qui ne sont pas plus vieux que 75 000 ans. On parle ici non plus en milliards, ni même en millions d'années, mais bien en quelques dizaines de milliers d'années seulement.

Le ¹⁴C une méthode très utile en archéologie et en histoire. Elle a été utile pour clore certains débats : le suaire de Turin qui aurait servi à ensevelir le corps du Christ a été daté en 1988, par trois équipes indépendantes, dans une fourchette d'âge entre 1260 et 1390 ans, donc un suaire fabriqué au Moyen-Age. Le bois du soi-disant trône de St-Pierre a aussi été daté du Moyen-Age.
La méthode est aussi utilisée en géologiegéologie des dépôts superficiels qui souvent sont plus jeunes que la limite de 75 000 ans. Les dépôts de la Mer Champlain par exemple qui n'ont que quelques 9 000 à 12 000 ans d'âge sont datés au ¹⁴C, en utilisant les coquilles et le bois fossilefossile de ces dépôts.