Méthode au radiocarbone

La méthode au radiocarbone , également connue sous le nom de datation au radiocarbone , ¹⁴ C ; La datation au C14 ou datation radiocarbone ou datation radiocarbone est une méthode de datation radiométrique du carbone , en particulier des matériaux organiques . La plage temporelle d'application est comprise entre 300 et environ 60 000 ans.

La méthode est basée sur le fait que la proportion d' atomes de ¹⁴ C radioactifs liés dans les organismes morts diminue conformément à la loi de décroissance . Les organismes vivants ne sont pas affectés par cet effet, car ils absorbent constamment du nouveau carbone de l'environnement, ce qui ramène la proportion normale de ¹⁴ atomes de carbone. Cette « partie normale » est presque constante malgré la décroissance constante, puisque le ¹⁴ C est constamment nouvellement formé dans la haute atmosphère.

La datation au radiocarbone a été développée en 1946 par Willard Frank Libby , qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1960 pour cette réalisation . La datation au radiocarbone est utilisée dans la détermination de l'âge archéologique , l' archéobotanique et la recherche sur le Quaternaire . La limitation de la limite supérieure dans la plage de temps d'application résulte d'imprécisions de mesure de dix fois la demi-vie et de facteurs externes qui ont influencé le matériau à examiner.

Bases physiques

Cycle du carbone de ¹⁴ C

Dans la nature, trois isotopes du carbone viennent avant : ¹² C, ¹³ C, ¹⁴ C . Les études isotopiques montrent que la proportion de la teneur totale en carbone de l'air pour le ¹² C est d'environ 98,89 %, pour le ¹³ C d'environ 1,11 % et pour le ¹⁴ C d'environ 1,25 · 10 ^-10 %. Statistiquement parlant, il n'y a qu'un seul noyau ¹⁴ C pour environ 1 milliard de noyaux ¹² C . Contrairement au ¹² C et au ¹³ C, le ¹⁴ C n'est pas stable et est donc aussi appelé radiocarbone.

Origine du ¹⁴ C

^{Le 14} C est constamment reformé par des réactions nucléaires dans les couches supérieures de l' atmosphère terrestre . Lorsque les rayons cosmiques frappent des atomes dans l'atmosphère, la spallation libère des neutrons . Si l'isotope le plus courant dans l'atmosphère, l' isotope d' azote ¹⁴ N, est touché par un tel neutron, la réaction nucléaire ¹⁴ N (n, p) ¹⁴ C peut avoir lieu, dans laquelle ce neutron est capturé et un proton est séparé. . Cela crée un noyau ¹⁴ C à partir du noyau ¹⁴ N :

${\ displaystyle {} _ {\ 7} ^ {14} \ mathrm {N} + {} _ {0} ^ {1} \ mathrm {n} \ rightarrow {} _ {\ 6} ^ {14} \ mathrm {C ^ {*}} + {} _ {1} ^ {1} \ mathrm {p}}$

Décomposition du ¹⁴ C

¹⁴ désintégrations de C avec une demi-vie de 5730 ± 40 ans (soi-disant « demi-vie Cambridge ») par le biais de β ^- désintégration de ¹⁴ N , une électronique et une antineutrino :

${\ displaystyle {} _ {\ 6} ^ {14} \ mathrm {C} \ rightarrow {} _ {\ 7} ^ {14} \ mathrm {N} + \ mathrm {e} ^ {-} + {\ barre {\ nu}}}$

Pendant ce temps, le radiocarbone est largement distribué, voir cycle du carbone .

Concentration d'équilibre

La nouvelle formation et la désintégration forment un état stable. La concentration relative d'équilibre du radiocarbone dépend du taux de régénération, de la demi-vie de désintégration et de la quantité de carbone en contact avec l'atmosphère à cette échelle de temps, où le carbone est sous forme de dioxyde de carbone . Les fluctuations de cette proportion sont décrites ci-dessous dans la section Fluctuations temporelles .

Démarrez l'horloge en la réparant

Ce carbone est absorbé par les plantes , voir fixation du dioxyde de carbone , et stocké de manière plus ou moins permanente ou introduit immédiatement dans la chaîne alimentaire . Dans ces processus, il y a très peu de fractionnement en fonction de la masse isotopique (voir ci-dessous), de sorte que la proportion de radiocarbone dans les êtres vivants est initialement presque la même que dans l'atmosphère. A partir du moment de la fixation, cependant, la proportion diminue selon la loi de décroissance :

${\ displaystyle \ left ({\ frac {{} ^ {14} C} {{} ^ {12} C}} \ right) = {\ left ({\ frac {{} ^ {14} C} {{ } ^ {12} C}} \ right)} _ {\ text {air}} \ cdot e ^ {-\ lambda _ {14} t} \ quad {\ text {with}} \ quad \ lambda _ {14 } = 1 {,} 21 \ cdot 10 ^ {- 4} \, {\ frac {1} {\ mathrm {a}}}}$

Le rapport entre ¹⁴ C et ¹² C d'une matière organique est une mesure de l'âge depuis que le dioxyde de carbone a été fixé. Le radiocarbone peut également pénétrer dans des substances inorganiques . Un exemple est le carbonate dans les coquilles de moules. Leur âge radiocarbone est celui des coquilles plus l'âge du carbone lorsqu'il a été intégré dans la coquille plus une correction légèrement plus importante pour le fractionnement. Un autre exemple est le radiocarbone dans les alliages par rapport au charbon de bois utilisé dans leur fabrication. L' âge ¹⁴ C indique alors le temps de fabrication plus l'âge du carbone organique utilisé.

La datation au radiocarbone est donc la mesure du rapport des quantités des isotopes du carbone ¹⁴ C à ¹² C dans un échantillon et un étalon qui représente le rapport au début du vieillissement. La teneur en ¹⁴ C d'un échantillon peut être déterminée soit en comptant les noyaux de ¹⁴ C en décomposition dans le tube compteur , dans le « spectromètre à scintillation liquide », soit en comptant les noyaux de ¹⁴ C encore présents avec la spectrométrie de masse à accélérateur . Cette dernière méthode nécessite moins de matériel que les deux premières, mais est plus complexe et coûteuse.

Procédure de l'enquête

Outre l'application de la physique, la mise en œuvre nécessite également de nombreuses étapes à l'aide de la chimie appliquée afin de pouvoir examiner l'échantillon avec un tube compteur (selon Libby), " spectrométrie à scintillation liquide " ou avec la spectrométrie de masse accélérateur méthode . L'illustration suivante du processus d'examen est très simplifiée.

Préparation chimique de l'échantillon

La matière organique à examiner doit être réduite en carbone pur afin de pouvoir effectuer une détermination. De nombreuses autres substances doivent donc être préalablement éliminées de l'échantillon. Dans ce qui suit, la préparation du bois (sans conifères ) est montrée à titre d'exemple, comme il est d'usage dans les laboratoires correspondants.

L'échantillon est bouilli une nuit dans une solution de soude 4% à 60°C (bain-marie). Le lendemain, un traitement acide-acide alcalin a lieu ( acide chlorhydrique 4% 30 min, 3 fois soude 4% solution 1 heure, acide chlorhydrique 4% 1 heure). Pour les échantillons qui doivent être mesurés très précisément (par exemple pour les étalonnages), le bois est réduit en cellulose , après quoi, après la deuxième étape de lessivage, la lessive est remplacée par une solution de chlorite de sodium (mélangée avec de l'acide chlorhydrique jusqu'à pH 3).

La matière cellulosique pure obtenue est chauffée avec de l'oxyde de cuivre (I) et de l' argent dans une ampoule en quartz sous vide . Les composants organiques brûlent pour former du CO ₂ , de l' oxyde d'azote , de soufre oxyde et des composés halogénés . L'argent lie l'oxyde de soufre et les composés halogénés.

Le CO ₂ peut maintenant être mesuré avec un compteur Geiger, ou il est utilisé pour la scintillation liquide dans le benzène converti, ou il est mis à réagir avec de l' hydrogène en fer réduit en poudre en graphite pour ensuite un moyen de détermination du ¹⁴ C de la spectrométrie de masse de l' accélérateur effectuer ( AMS).

Méthode du tube compteur Libby

La méthode classique de mesure du radiocarbone, déjà utilisée par Libby , est la détection directe de la désintégration radioactive dans un tube compteur . Le CO ₂ obtenu à partir de l'échantillon par combustion est utilisé comme gaz de comptage . En raison de la longue demi-vie et de la faible abondance du ¹⁴ C, l'activité d'une mole de carbone moderne n'est que d'environ 3 désintégrations par seconde. Pour atteindre une précision de 40 ans, cependant, un total de plus de 40 000 désintégrations doit être compté. Afin d'obtenir une haute précision de la mesure, en plus d'un bon blindage du tube compteur contre le rayonnement naturel, des quantités d'échantillons relativement importantes (jusqu'à 1 kg de matière première) et une longue période de mesure sont nécessaires. Étant donné que les échantillons très anciens contiennent très peu de ¹⁴ C, ils ne peuvent être mesurés qu'avec une incertitude correspondante. Avec un échantillon d'âge d'environ 50 000 ans, la limite de détection est considérée comme atteinte avec une incertitude de ± 5000 ans.

Spectrométrie à scintillation liquide

Une méthode très courante de mesure de la décroissance radioactive du ¹⁴ C est la spectrométrie à scintillation liquide . Le carbone à dater est transformé en benzène dans une ligne à vide par plusieurs étapes intermédiaires. Un scintillateur organique y est ensuite ajouté. Le scintillateur convertit l'énergie des électrons libérés lors de la décroissance du ¹⁴ C en impulsions lumineuses. Ceux-ci sont ensuite amplifiés et comptés dans le spectromètre par des photomultiplicateurs très sensibles . Cette méthode a l'avantage par rapport à la méthode du tube compteur que plus de carbone peut être logé dans la chambre de mesure. Cela permet des temps de mesure plus courts avec la même précision. De plus, des spectromètres optimisés pour la datation au radiocarbone sont disponibles dans le commerce, tandis que les tubes compteurs sont des développements internes des laboratoires respectifs.

Détection par spectrométrie de masse par accélérateur

Avec le développement de la spectrométrie de masse par accélérateur (AMS), qui combine les méthodes de la spectrométrie de masse et des méthodes d' investigation physique nucléaire et permet ainsi la mesure des plus petits rapports isotopiques jusqu'à 10 ⁻¹⁵ , la détection directe des atomes ¹⁴ C est devenue possible au la fin des années 1970 sans avoir à attendre d'abord leur décadence. Par conséquent, avec cette méthode, des quantités d'échantillons beaucoup plus petites peuvent être utilisées qu'avec des mesures avec la méthode du tube compteur, ce qui a ouvert des domaines d'application complètement nouveaux pour la méthode au radiocarbone. La taille typique d'un échantillon pour la spectrométrie de masse par accélérateur est d'environ 1 mg ; Avec cette quantité d'échantillon, 40 000 atomes de ¹⁴ C d'un échantillon moderne peuvent être détectés en un temps de mesure d'environ une heure, ou une incertitude relative de 0,5 % peut être atteinte, ce qui correspond à une incertitude absolue de 40 ans. Contrairement à la méthode du tube compteur , cependant, une technologie beaucoup plus complexe et coûteuse est nécessaire pour cela.

Conditions aux limites méthodologiques

Limite de détection

Un échantillon de carbone frais ne contient qu'environ 1 partie par billion (ppt) de ¹⁴ atomes de carbone. Il y a donc un atome de ¹⁴ C pour 10 ¹² atomes de l'isotope ¹² C. Par exemple, une tonne de carbone ne contient que 1 µg de ¹⁴ C.

La limite de détection du ¹⁴ C est de 1 partie par quadrillion (ppq), correspondant à une concentration d'environ un millième de la quantité de ¹⁴ C dans un échantillon frais, et est limitée par les limitations des appareils de mesure et le "fond ¹⁴ C " présent en très petites quantités. déterminé à partir d'autres sources. En raison de la décroissance radioactive , la quantité de ¹⁴ C diminue avec le temps. Après 10 demi-vies, soit environ 57 300 ans, la proportion est inférieure à la limite de détection. La méthode au radiocarbone ne peut donc être utilisée que pour des échantillons plus jeunes. Pour la détermination de l'âge des fossiles géologiques z. B. dans l' ambre , le lignite , la houille ou les diamants, il est inutilisable (par exemple, la datation potassium-argon peut être utilisée ici).

Précision de mesure

Comme pour toute mesure physique, l' incertitude de mesure a une partie statistique et une partie systématique . L'incertitude statistique est celle du rapport isotopique . Dans le cas de la méthode du tube compteur, par exemple, le caractère statistique de la décroissance radioactive y contribue. Elle est donnée par le laboratoire sous une forme facilement lisible ± n années sous forme d'un simple écart type .

De plus, les sources d'erreur décrites dans les sections suivantes doivent être prises en compte en corrigeant le montant probable de l'écart et en précisant leur incertitude. Il s'agit notamment de :

• Toutes falsifications dans le nettoyage et la préparation de l'échantillon (plutôt négligeable).
• Toutes les falsifications depuis la création de l'échantillon jusqu'à la découverte aujourd'hui.
  • A partir de sels dissous dans l'eau , la dolomite précipite dans les os et n'est pas complètement dissoute aux températures habituelles pour le nettoyage à l'acide. Ces carbonates étaient auparavant dissous dans l'eau sous forme d' hydrogénocarbonates avec le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Les échantillons d'os très anciens (plus de vingt mille ans) sont souvent mesurés beaucoup trop jeunes.
• Tous les écarts de l'âge du carbone de l'échantillon par rapport à l'âge de la couche à déterminer.
• Toutes les fluctuations purement statistiques entre des échantillons apparemment identiques du même contexte de découverte.
• Tous les écarts entre la concentration en ¹⁴ C du matériau échantillon et l'air ambiant pendant sa durée de vie.
  • En particulier, les animaux et les plantes marins absorbent partiellement le carbone qui provient du calcaire dissous ou des courants ascendants des grands fonds et est mesuré considérablement trop vieux ( effet réservoir ).

Prise en compte de la situation de découverte

La méthode ¹⁴ C mesure le moment où le carbone a été retiré de l'atmosphère ou de l'eau. Ce n'est pas nécessairement l'époque où la couche archéologique a été déposée. Pour une datation correcte, le lien entre la fin du système isotopique du carbone dans l'échantillon de l'environnement et l' événement historique à dater doit être établi. Par exemple, un chêne peut atteindre plusieurs siècles. L' examen au ¹⁴ C d'un objet à partir de son bois de cœur central ne mesure donc pas le moment où l'arbre a été abattu, mais plutôt un âge supérieur. Ici, la dendrochronologie peut fournir des valeurs comparatives fiables. Lors de la datation des restes de parties éphémères de plantes telles que les graines de plantes , ce problème ne joue pas de rôle par rapport à l'ordre de grandeur de la précision de la mesure.

Demi-vie de Libby et Cambridge

L'équipe de Libby avait utilisé une demi-vie d' années pour développer la datation au radiocarbone du ¹⁴ C , après avoir évalué tous les résultats de mesure disponibles à l'époque. Des mesures ultérieures ont révisé cette valeur en années en 1962 . D'autres mesures ont confirmé cette valeur avec une précision encore améliorée, de sorte qu'à partir de 1990, un temps de décroissance de plusieurs années a été recommandé.${\ displaystyle 5568 \ pm 30}$${\ displaystyle 5730 \ pm 40}$${\ displaystyle 5715 \ pm 30}$

Toute une série de résultats de datation ayant déjà été publiée, il a été convenu de continuer à utiliser la première valeur utilisée ("Demi-vie de Libby") puis de désigner le résultat comme "l' âge ¹⁴ C conventionnel " en raison de la comparabilité des résultats de rencontres . Par rapport à l'utilisation de la valeur révisée (« demi-vie de Cambridge »), le résultat n'est qu'un facteur de 1,026. Lorsqu'il s'agit de déterminer les dates calendaires, celles-ci sont bien entendu prises en compte, ainsi que les autres corrections qui sont alors encore nécessaires.

Variations du rapport atmosphérique ¹⁴ C / ¹² C au cours du temps

Fluctuations naturelles

Les fluctuations temporelles naturelles du rapport ¹⁴ C / ¹² C ont été démontrées pour la première fois en 1958 par Hessel de Vries , qui a montré que le rapport ¹⁴ C / ¹² C changeait d'environ 2 % entre le XVIe et le XIXe siècle. Principalement trois facteurs jouent un rôle important pour les fluctuations naturelles.

Fluctuations du nombre de taches solaires dans le temps

• D'une part, il y a la modulation du rayonnement cosmique par l'activité solaire , qui influence le taux de production et provoque des fluctuations à court terme, également connues sous le nom de wiggle ou effet DeVries .
• De plus, le taux de production de ¹⁴ C est également influencé par la modification du champ dipolaire géomagnétique jusqu'à un facteur trois. Cela joue un rôle sur des échelles de temps supérieures à cent ans.
• De plus, les échanges de carbone entre les différents réservoirs de carbone terrestres et l'atmosphère contribuent à la fluctuation du rapport atmosphérique ¹⁴ C / ¹² C.

De plus, des événements singuliers tels que des explosions proches de supernova sont parfois discutés.

Par des mesures qui ont conduit à la mise en place de la courbe d' étalonnage INTCAL98 , mais aussi par certaines mesures qui remontent plus loin dans le temps, qui se basent, par exemple, sur des carottes de forage de sédiments maritimes du bassin de Cariaco (au large de la côte nord du Venezuela ) , l'écart de ¹⁴ C / ¹² C pourrait maintenant être trouvé - Le rapport de la valeur d'aujourd'hui peut être retracé jusqu'à 48 000 ans. Il montre qu'en plus des fluctuations à court terme, une augmentation générale du ¹⁴ C (= écart par rapport au rapport actuel ¹⁴ C / ¹² C en pour mille) à des valeurs allant jusqu'à plus de 800 pour mille (données Cariaco) à la fois il y a environ 40 000 ans BP peut être atteint, ce qui correspond à une différence entre l'âge radiocarbone et l'âge calendaire d'environ 5000 ans. Entre 40 000 et 42 000 ans BP, le ¹⁴ C chute brutalement aux valeurs actuelles et fluctue entre environ 0 et -200 pour mille dans la période comprise entre 42 000 ans et 50 000 ans BP. En plus du pic il y a 40 000 ans, il y a aussi des pics plus petits il y a 34 000 ans, il y a 29 000 ans et il y a 17 000 ans BP. D'autres ensembles de données (sédiments du lac Suigetsu , Bahamas Speleothem ) montrent les mêmes structures, mais montrent des décalages il y a 25 000 ans par rapport aux données de la carotte de forage Cariaco , qui, une fois converties en années radiocarbone, sont à peu près de l'ordre de grandeur il y a 1000 ans.

Une comparaison de ces données avec les taux de production calculés, qui incluaient les changements publiés dans le champ géomagnétique au cours de la période correspondante, montre que les changements à long terme et les pics trouvés s'expliquent généralement bien par les changements du champ magnétique terrestre, avec une réduction du carbone puits pendant les périodes de givrage et autres Les changements dans le cycle du carbone semblent jouer un rôle. Les pics d'il y a 34 000 ans et 40 000 ans coïncident bien avec les pics des radionucléides ³⁶ Cl et ¹⁰ Be , qui ont été détectés dans les carottes de glace . Pour les fluctuations à court terme, une corrélation avec l'activité solaire et la température de l'hémisphère nord a pu être démontrée. Les taux de production de ¹⁴ C sont plus faibles lorsque l'activité solaire ( taches solaires ) est élevée.

Effet doux

L' effet Suess doit son nom à Hans E. Suess (1909-1993) et décrit l'influence de l' industrialisation sur la teneur en ¹⁴ C de l'atmosphère. Avec le début de l'industrialisation il y a environ 150 ans, les combustibles fossiles tels que le pétrole brut et le charbon étaient de plus en plus utilisés. Ces substances ne contiennent plus de ¹⁴ C détectable , car elles ont bien plus d'une dizaine de demi-vies (environ 60 000 ans). Cela peut simuler que l'échantillon examiné est trop ancien, car lorsque des combustibles fossiles sont brûlés , seuls le ¹² C et le ¹³ C (non radioactifs) sont libérés et diluent la quantité de ¹⁴ C radioactif dans l'atmosphère. La dilution du ¹⁴ C dans l'atmosphère se traduit par une valeur initiale réduite du ¹⁴ C dans les organismes, dont il faut tenir compte pour déterminer l' âge du ¹⁴ C.

Effet nucléaire

¹⁴ C dans l'atmosphère.

L'utilisation et les essais atmosphériques d' armes nucléaires entre 1945 et 1963 ont considérablement augmenté la quantité de ¹⁴ C dans l'atmosphère. A ce jour, le rapport ¹⁴ C / ¹² C n'est pas retombé à la valeur qu'il avait avant 1945. Il existe des échantillons de référence pour chaque année, et en raison de la grande variation, les échantillons peuvent être datés à ± 1 an.

La génération locale massive de ¹⁴ C dans l'atmosphère causée par les essais d' armes nucléaires pourrait être utilisée pour étudier avec précision le comportement temporel et, surtout, le processus de transport spatial du ¹⁴ C. Cela a confirmé que le ¹⁴ C dans l'atmosphère s'homogénéise dans le monde entier en peu de temps . Ainsi, un résultat de recherche antérieur d' Ernest C. Anderson sur l'homogénéité spatiale du ¹⁴ C dans l'atmosphère a été confirmé. Cette homogénéité est un prérequis important pour l'étalonnage et l'application de la méthode ¹⁴ C.

Corrections de la mesure

Fractionnement

Étant donné que les isotopes ¹² C, ¹³ C et ¹⁴ C ont des poids différents, ils sont déplacés ou libérés légèrement différemment au cours des processus de transport et des réactions chimiques ( fractionnement isotopique ), de sorte que leur rapport de mélange change. Dans la photosynthèse z. B. Cela réduit le rapport de ¹⁴ C à ¹² C dans la plante par rapport à l'air. La même chose s'applique au rapport de ¹³ C à ¹² C, bien que l'effet ici ne soit que moitié moins grand. En raison de la forte proportion de ¹³ C dans le carbone total d'environ 1 %, cet effet peut être mesuré relativement facilement à ¹³ C, de sorte que l'effet du ¹⁴ C peut ensuite être calculé et pris en compte lors de la détermination de l'âge.

Une différence importante dans le fractionnement isotopique existe, par exemple, entre les plantes C3 et les plantes C4 . Le rapport ¹³ C / ¹² C peut également fournir des informations importantes sur la nutrition à base d' os par exemple.

Effet réservoir et effet eau dure

Dans certains cas, la concentration de départ de l'objet à dater n'est pas celle de l'atmosphère, mais celle d'un autre réservoir de carbone plus important. L' acide carbonique dissous utilisé pour dater les eaux souterraines, par exemple, est composé de carbonate du sous-sol, qui s'est formé il y a longtemps, c'est-à-dire sans ¹⁴ C, et du dioxyde de carbone formé par la décomposition de la matière végétale dans le sol. Si cela n'est pas inclus dans le calcul de l'âge, des âges trop élevés seront déterminés (erreur d'eau dure). Les poissons fraîchement pêchés en Antarctique seraient également datés au ¹⁴ C de plusieurs centaines d'années si l'on ne tenait pas compte du fait qu'ils captent le carbone de l'eau qui se forme à partir de très vieilles masses de glace via la chaîne alimentaire.

contamination

Une correction supplémentaire peut être nécessaire si l'échantillon mesuré a été contaminé par une substance ayant un âge radiocarbone différent et que cette contamination n'a pas pu être complètement éliminée par les procédures de nettoyage lors de la préparation de l'échantillon. Selon l'étendue de la contamination, l' âge radiocarbone mesuré se situe entre l'âge de l'échantillon et l'âge radiocarbone de la substance contaminante . Si l'étendue de la contamination est connue, la formule suivante s'applique au passage de l'âge radiocarbone mesuré à l'âge réel de l'échantillon :

${\ displaystyle \ Delta t = - {\ frac {1} {{\ lambda} _ {14}}} \ ln \ left (1 + {\ frac {v} {100 \, \%}} \ left (e ^ {- {\lambda} _ {14}\cdot (t_ {V} -t_ {P})} - 1\right)\right)}$

${\ displaystyle v, t_ {V}, t_ {P}}$ sont la contamination en %, l'âge radiocarbone de la contamination ou l'âge de l'échantillon.

Si une contamination est suspectée mais que l'étendue exacte n'est pas connue, un échantillon peut être divisé en plusieurs sous-échantillons et différentes procédures de nettoyage chimique peuvent être effectuées sur chaque sous-échantillon. En règle générale, cela signifie que le matériau de l'échantillon réel et la contamination éventuellement existante sont attaqués à des degrés différents et que le rapport des deux change différemment dans les sous-échantillons individuels. Une contamination, qui fausse notablement l'âge, est alors perceptible dans les dates fortement divergentes des échantillons partiels. Cela peut servir de critère pour déduire la fiabilité d'un âge radiocarbone.

étalonnage

La date brute obtenue comme résultat de mesure d'un laboratoire conventionnel de ¹⁴ C ou d' AMS avec l' écart type associé se rapporte toujours à l'année 1950, mais elle n'inclut pas de valeur calendaire car elle est basée sur un taux de formation constant de ¹⁴ C qui ne correspondent à la réalité . A la fin des années 1950, les scientifiques ont découvert que la production d' isotopes ¹⁴ C et donc la teneur en ¹⁴ C de l'atmosphère était et est sujette à des fluctuations considérables au cours de l' histoire de la Terre , qui sont dues à des cycles à court et à long terme. de l'activité solaire et des fluctuations du champ magnétique terrestre . L'appellation impropre « BP », qui est courante pour ces données brutes se référant à 1950, peut conduire à des malentendus en raison de la traduction évidente « avant aujourd'hui ».

Car pour les raisons présentées, les données brutes du ¹⁴ C peuvent conduire à des écarts allant jusqu'à plusieurs milliers d'années solaires et doivent donc être corrigées. Cette conversion des données brutes du ¹⁴ C est appelée étalonnage et est spécifiée dans la littérature de langue anglaise sous le nom de calBP . Pour une conversion ultérieure dans notre calcul de temps général pour des comparaisons scientifiquement non ambiguës, en particulier en archéologie et en préhistoire , les années 1950 doivent être soustraites des informations calibrées et ajoutées avec cal. v. Chr. Sont clairement identifiés (anglais "calBC" pour avant Christ ou "BCE" pour avant l'ère commune ) sont utilisés. Chacun de ces détails comprend l'indication de la dispersion et de sa taille (1 ou 2 σ), qui est souvent déjà incluse dans le calcul, auquel cas la limite la plus ancienne et la plus jeune est indiquée, par ex. B. "5555-5247 cal. v. Chr."

Le statut actuel a été publié en 2013 et intégré au programme anglais « OxCal ». La version 4.4 sera disponible en 2020.

Le programme de Cologne "CALPAL" était exemplaire, clair et facile à utiliser, mais est apparemment resté inchangé par rapport à 2007.

Un autre programme est disponible auprès du Quaternary Isotope Lab de l' Université de Washington .

La calibration de données archéologiques individuelles > 26 000 BP jusqu'à environ 50 000 BP est encore controversée, car les courbes de calibration ne donnent qu'une valeur moyenne de l'écart par rapport aux années solaires, qui peut être beaucoup plus élevée dans des cas individuels. Dans le cas de la courbe INTCAL13, seule la plage de temps jusqu'à 12 594 cal BP, sécurisée au moyen de la dendrochronologie, est considérée comme une plage à haute résolution en années civiles .

Calibrage par courbes de dendro

Au début des années 1960, les premières courbes d'étalonnage ont été créées sur la base de la dendrochronologie d' arbres particulièrement longévifs tels que le pin bristlecone et le séquoia géant . En attendant, le système de dendrochronologie pourrait être étendu à de nombreuses régions du monde. La chronologie Bristlecone-Pines remonte maintenant à plus de 9 000 ans. Le calendrier annuel des anneaux de Hohenheim remonte complètement à l'année 10 461 av. Retour au Dryas jeune (2004). La courbe de la Méditerranée orientale couvre la période allant jusqu'à 1800 av. Chr.

Courbe d'étalonnage

Dépendance entre l'âge radiocarbone (Yr = temps en années) et l'âge dendro (âge calendaire) - âge déterminé par la dendrochronologie - pour les douze derniers millénaires selon Stuiver (1998)

L' âge « conventionnel » de ¹⁴ C (avant = avant, présent = normalisé à 1950), y compris les résultats d' incertitude-type associés à partir des données de laboratoire . À partir de là, à l'aide de la procédure d'étalonnage décrite, l'âge calendaire calibré en cal B.P. peut être déterminé avec des informations supplémentaires sur la propagation. BC (BC) ou AD (AD = Anno Domini ).

Si la courbe d'étalonnage est plate sur une section plus longue (on parle alors de plateau), cela signifie que les ossements ou charbons , dont l'origine est distante de plusieurs centaines d'années, ont le même âge conventionnel ¹⁴ C. Tel est le cas, par exemple, avec la bande céramique plateau entre 5500 et 5200 cal BC, puis de nouveau dans les zones 3100-2900, 2850-2650 et 2600-2480 BC ( fin néolithiques plateau).

En attendant, les fluctuations de la courbe d'étalonnage sont également utilisées pour spécifier les dates ¹⁴ C, par ex. B. à travers le "wiggle-matching" développé par Bernhard Weninger de l' Université de Cologne . Ceci est possible si l'on dispose de données précises dont l'enchaînement relatif a été prouvé par des sources indépendantes, comme la stratigraphie d' un site archéologique. Cela permet de prendre une décision quant à la section de la courbe d'étalonnage dans laquelle ces données s'intègrent le mieux.

Calibrage avec varves

L'étalonnage à l'aide de la chronologie varven (datation des tons de bande) joue de plus en plus un rôle, car cela permet d'étendre la gamme haute résolution des événements de croissance annuels bien au-delà des archives des données sur les cernes des arbres. La chronologie varven publiée en 2012 à partir du lac Suigetsu, au Japon, remonte à 53 000 ans, ce qui en fait à ce jour la plus longue archive connue au monde de sédiments lacustres réchauffés . L'étalonnage considérablement amélioré des données de plus de 11 200 années ¹⁴ C a été publié pour la première fois dans le même numéro de Science .

Historique de la recherche

La possibilité de datation en mesurant le ¹⁴ C a été montrée pour la première fois en 1949 par la "Curve of Knowns" publiée par J. R. Arnold et W. F. Libby, dans laquelle l'âge connu à partir de divers échantillons montre la dépendance inverse de la teneur en ¹⁴ C sur la l'âge de chaque échantillon a été indiqué. Jusque-là, l'accent était mis sur les problèmes métrologiques , en particulier la distinction entre le signal relativement faible issu de la décroissance radioactive du ¹⁴ C et le signal de fond issu de la radioactivité ambiante .

Dans la période qui a suivi, certaines conditions préalables à une datation fiable par datation au radiocarbone ont été vérifiées. Ainsi l'hypothèse a pu être confirmée que le rapport ¹⁴ C / ¹² C dans l'atmosphère globale est spatialement suffisamment homogène ou, dans le pire des cas, conduit à des écarts locaux qui sont de l'ordre de grandeur de l'autre précision de mesure de la datation au radiocarbone. Au plus tard avec les travaux de Suess et deVries, il est cependant devenu clair que le rapport ¹⁴ C / ¹² C est sujet à des fluctuations dans le temps, dont il faut tenir compte pour une datation précise par datation au radiocarbone.

Cette découverte a conduit à l'élaboration de courbes d'étalonnage à partir du début des années 1960, qui étaient initialement basées sur des dendrochronologies de séquoias géants à vie longue et de pins bristlecone . Des courbes d'étalonnage de précision ultérieures ont été établies à l'aide de dendrochronologies d'arbres à vie plus courte tels que le calendrier des cernes de Hohenheim . En plus de la dendrochronologie, d'autres méthodes indépendantes (mesures sur coraux , carottes de glace, couches de sédiments , stalagmites ) ont été par la suite de plus en plus utilisées pour vérifier et étendre les courbes d'étalonnage basées sur la dendrochronologie. Cela a conduit à la courbe d'étalonnage INTCAL04 publiée en 2004, qui remonte à 26 000 BP.

Une autre étape importante a été l'utilisation de la spectrométrie de masse par accélérateur (AMS) pour la datation au radiocarbone par Harry Gove en 1977. Cela a permis d'effectuer la datation au radiocarbone sur des quantités d'échantillons beaucoup plus petites qu'avec la méthode du tube compteur.

En août 2020, des courbes d'étalonnage mises à jour pour le continent et les océans ont été publiées dans la revue Radiocarbon .

Anecdotes

La méthode au radiocarbone est également utilisée pour mesurer les voies de transport et les mécanismes de transport des constituants végétaux. Pour ce faire, les usines sont fumigées avec du CO ₂ , qui a été obtenu à partir de forage de pétrole brut, de gaz naturel ou de gaz naturel et ne contient donc plus de quantités détectables de l'isotope ¹⁴ C . Le rapport isotopique sert alors d'indicateur, semblable à un traceur . Au cours de la photosynthèse des plantes ainsi construire des ingrédients, qui sont examinés par spectrométrie de scintillation dans les différentes parties de la plante ( de sorte que peut abaisser les pistes que lorsqu'elle est mesurée par CO ₂ - capteurs sont détectés). Par exemple, les exsudats végétaux et leurs effets sur la respiration des racines et la respiration du sol ont été déterminés.

Littérature

Livres

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liens web

• Explication méthodologique de l'Université de Kiel
• Prétraitement chimique
• Aperçu des programmes d'étalonnage (en ligne et en téléchargement)
• [1] (OxCal, lien juin 2021 ajusté)
• Programme d'étalonnage CalPal
• Comparaison de différentes courbes et programmes d'étalonnage ( Memento du 18 juillet 2011 dans Internet Archive ) (PDF; 82 ko)
• Magazine radiocarbone
• Liste de tous les laboratoires de datation au radiocarbone actifs
• RADON - base de données pour les données européennes ¹⁴ C