COMITÉ FRANÇAIS D'HISTOIRE DE LA GÉOLOGIE (COFRHIGEO) (séance du 24 novembre 1999)

La géologie a si bien laissé sa marque sur le temps qu'on qualifie spontanément de géologiques les durées immenses. Découvrir que le temps de la nature défiait effectivement l'entendement, et qu'on pouvait par surcroît le mesurer, ne fut cependant pas aisé. Certes, les écoles de Platon et d'Aristote avaient assuré que le temps n'avait pas eu de commencement, ce n'était pas que spéculation : Aristote, en particulier, voyait en l'action incessante des forces de la nature la marque d'un lent mais perpétuel recommencement. « La surface du globe change d'aspect ; là où nous foulons aujourd'hui un sol continental, la mer a séjourné et séjournera encore ; la région où elle est à présent fut jadis, et redeviendra plus tard un continent. Le temps modifie tout », nota-t-il dans Les Météorologiques, en soulignant que seule la courte durée de la vie humaine empêchait de percevoir ces lentes transformations mutuelles. Mais l'idée même d'un univers ou d'une Terre globalement immuable, en état stationnaire, était incompatible avec la notion d'histoire et celle de chronologie qui la sous-tend.

C'est avec le christianisme, et ses racines tirées de l'Ancien Testament, que le temps cessa d'être « cyclique » pour devenir clairement « linéaire ». Ayant évidemment eu la Création pour origine, le temps avait été orienté vers la Passion du Christ - un moment nécessairement unique - avant de tendre vers le Jugement dernier. Dans cet esprit, la chronologie prit une importance particulière mais elle se trouva très longtemps prise dans un cadre étroit de 5000 à 7000 ans dicté par des interprétations littérales du Pentateuque. Non seulement le grand Newton (1642-1727), par exemple, n'y trouva rien à redire, mais il employa sa toute nouvelle physique à démontrer que le monde avait cinq cents ans de moins que ne le pensaient certains...

Or de courtes échelles de temps empêchaient également toute vision historique de la nature. Comme le soutiendrait encore Chateaubriand (1768-1848) dans un combat d'arrière-garde, le monde ne pouvait guère avoir d'histoire puisqu'il reflétait quasiment l'état dans lequel il avait été créé. Ce court article a donc pour but de résumer comment les temps longs ont finalement été reconnus, comment on a tenté de les mesurer, et comment l'essor de la géologie fut rendu possible par la possibilité de datations. Pour un exposé plus complet de la question, le lecteur est renvoyé à l'ouvrage publié par l'auteur en 1999.

Au tout début du XIXe siècle, un examen de la nature avait en réalité déjà mis un terme aux conceptions que défendait un romantique comme Chateaubriand. Les fossiles avaient été au premier plan dans le débat. Comment, en quelques milliers d'années seulement, tant de restes animaux auraient-ils pu avoir été abandonnés par la mer avant d'être enfouis et pétrifiés dans les profondeurs du sous-sol ? Si le Déluge put être invoqué à cet effet, l'explication était bien sûr bancale. La raison poussait plutôt à croire, ainsi que le firent Leibniz (1646-1716) et bien d'autres penseurs avisés, que ces pierres figurées étaient des jeux de la nature : ces contrefaçons minérales croissaient donc au sein des roches, à l'instar des minéraux aux formes également étranges qu'on voyait clairement pousser dans les galeries de mines. Comme le démontra le plus clairement l'anatomiste et futur évêque danois Sténon (1638-1686), un examen attentif des fossiles dans leur gangue rocheuse révélait toutefois une foule de détails qui trahissaient une origine organique. De ce constat, Sténon tira la conclusion fondamentale que ces restes avaient été enfouis dans des sédiments qui s'étaient déposés en milieu aqueux ; à ce titre, les strates représentent une unité de temps et reflètent les conditions de leur formation. Les bases étaient ainsi jetées, sur lesquelles une science historique pouvait se développer. Le fait que, en dépit de son immense perspicacité, Sténon resta néanmoins fidèle aux courtes chronologies mosaïques illustre sans doute le mieux les difficultés considérables du passage à cette nouvelle étape...

Peu à peu, l'observation toujours plus attentive des fossiles et l'exploration des montagnes fit craquer les courtes échelles de temps. Des interminables empilements de strates aux creusements de vallées en passant par les bouleversements tectoniques, tout témoignait de lents processus à l'oeuvre pendant des durées considérables. A cette vision qui restait cependant confuse, c'est Buffon (1707-1788) qui donna corps et substance en 1779 dans ses fameuses Epoques de la Nature. Supposant que la Terre et les autres planètes étaient originellement des portions de matière incandescente expulsées du soleil à la suite du choc d'une comète, il en déduisit que leur histoire était avant tout celle de leur refroidissement. La vie, en particulier, n'était alors possible que pendant les brefs laps de temps où les températures de surface des planètes n'étaient ni trop élevées ni trop basses. Corollaire d'importance considérable, cette cosmogonie donna à Buffon un moyen de dater la Terre. A cet effet, il fit mesurer les vitesses de refroidissement de boulets de différentes tailles et matières chauffées au rouge. Par extrapolation à un objet de la taille de la Terre, il en déduisit que 75 000 années avaient été nécessaires pour parvenir à la température de surface actuelle.

L'histoire naturelle pouvait alors être décrite en sept époques : « Première époque : Lorsque la Terre et les planètes ont pris leur forme [temps zéro] ; Deuxième époque : Lorsque la matière s'étant consolidée a formé la roche intérieure du globe ainsi que les grandes masses vitrescibles qui sont à sa surface [2936 ans] ; Troisième époque : Lorsque les eaux ont couvert les continents [35 000 ans] ; Quatrième époque : Lorsque les eaux se sont retirées, & que les volcans ont commencé d'agir [50 à 55 000 ans] ; Cinquième époque : Lorsque les Eléphans et les autres animaux du Midi ont habité les terres du Nord [60 000 ans] ; Sixième époque : Lorsque s'est faite la séparation des continens [65 000 ans] ; Septième époque : Lorsque la puissance de l'homme a secondé celle de la Nature [75 000 ans] ». Corroborées par les épaisseurs de sédiments et les vitesses de sédimentation observées sur les côtes normandes, des durées de cent millions d'années furent en vérité consignées dans des carnets où Buffon ajouta : « Quoiqu'il soit très vrai que plus nous étendrons le temps et plus nous approcherons de la vérité et de la réalité de l'emploi qu'en a fait la nature, néantmoins il faut le raccourcir autant qu'il est possible pour se conformer à la puissance limitée de notre intelligence » (In : Epoques de la Nature, Rééd., 1988, p. 40). Si Buffon publia des durées beaucoup plus courtes, ce ne fut donc pas par crainte de la censure, mais simplement pour être compris par ses contemporains...

Ce refroidissement qui donnait un sens à l'histoire de la Terre se manifestait par les augmentations de température observées depuis peu dans les mines. Il était en accord avec les théories de nébuleuse protosolaire proposées par Immanuel Kant (1724-1804) et Pierre-Simon de Laplace (1749-1827), auxquelles les observations astronomiques de nébuleuses à diverses étapes de leur évolution faites par William Herschel (1738-1822) donnèrent vite du crédit. Intrigué par ce problème cosmogonique, Joseph Fourier (1768-1830) entreprit de donner un cadre mathématique rigoureux au problème de la propagation de la chaleur dans les corps. En résolvant sa célèbre équation, il confirma les vues de Buffon et souligna l'extrême lenteur avec laquelle un corps de la taille de la Terre évacuait sa chaleur primitive. De manière indépendante, l'importance de la chaleur comme agent géologique avait été soulignée en Ecosse par James Hutton (1726-1797). Peu à peu enfouis, comprimés et chauffés, les sédiments se transforment et peuvent même donner des granités. En même temps, cette chaleur profonde fait de la Terre une machine thermique par la remontée à la surface de roches recuites et compactées qui vont former de nouvelles montagnes. Avec l'action de l'érosion et celle de la sédimentation, la boucle est refermée : l'histoire de la Terre est ainsi décrite par des cycles dont « on ne trouve nul vestige d'un début, - nulle perspective d'une fin », selon la classique formule de Hutton.

Par rapport aux notions de montagnes ou ordres primitifs, secondaires, etc., qui s'étaient dégagées au cours du XVIIIe siècle, un progrès considérable avait en même temps été accompli par l'emploi des fossiles comme moyen d'identification des strates. L'arpenteur William Smith (1769-1839) en Angleterre, et Georges Cuvier (1769-1832) et Alexandre Brongniart (1770-1847) en France, en furent les instigateurs. En démontrant par ses reconstitutions de quadrupèdes que des espèces s'étaient éteintes, Cuvier justifiait en outre les datations et corrélations de strates faites à partir des fossiles caractéristiques d'un âge donné. Certes, de telles chronologies restaient muettes sur les durées écoulées, mais elles fournirent les jalons indispensables grâce auxquels la géologie put prendre son essor et l'histoire de la planète être décrite depuis le début des temps fossilifères.

Dans le grand public, l'exhumation de monstres disparus suscita un intérêt pour la paléontologie qui, surtout à travers les dinosaures, ne s'est, depuis, jamais démenti. « Vous êtes-vous jamais lancé dans l'immensité de l'espace et du temps, en lisant les oeuvres géologiques de Cuvier ? » demanda ainsi Balzac (1799-1850) en 1830 dans La Peau de chagrin, avant d'enchaîner : « Emporté par son génie, avez-vous plané sur l'abîme sans bornes du passé, comme soutenu par la main d'un enchanteur ? En découvrant, de tranche en tranche, de couche en couche, sous les carrières de Montmartre ou dans les schistes de l'Oural, ces animaux dont les dépouilles fossilisées appartiennent à des civilisations antédiluviennes, l'âme est effrayée d'entrevoir des milliards d'années, des millions de peuples que la faible mémoire humaine, que l'indestructible tradition divine ont oubliés et dont la cendre, entassée à la surface de notre globe, y forme les deux pieds de terre qui nous donnent du pain et des fleurs ».

Dès avant que Charles Lyell (1795-1875) ne s'en fasse un ardent propagandiste dans ses Principes de Géologie, ces temps très longs qui avaient défié la raison s'étaient donc imposés. Même pour de fervents protestants comme Cuvier ou le paléontologue (et révérend) anglais William Buckland (1784-1856), le rejet des chronologies mosaïques ne soulevait pas de difficultés de principe : la Bible ne contait en effet que la très courte histoire de l'homme et non celle de la nature. L'ironie de l'histoire est que, après avoir joué un grand rôle dans l'adoption de ces idées, la chaleur allait bientôt conduire à lutter contre ces conceptions d'un temps quasiment illimité. A l'origine de ce qui allait devenir une longue controverse se trouva la thermodynamique, par le biais d'un des ses plus éminents praticiens, William Thomson (1824-1907), plus connu de nos jours sous son titre tardif de Lord Kelvin.

Au milieu du XIXe siècle la nouvelle science de la thermodynamique était en effet assise sur les deux solides principes de conservation d'énergie et d'augmentation d'entropie de l'univers. En raison du premier, le soleil et les étoiles ne pouvaient rayonner que pendant des durées limitées : la plus vaste source d'énergie imaginable, due à l'accrétion de matière astrale puis à sa contraction, ne pourrait assurer le flux de chaleur solaire, et donc la permanence de la vie à la surface de la Terre, que pendant une centaine de millions d'années au plus. Quant au deuxième principe, il fixait une évolution et un terme inéluctables à l'univers. Pour la Terre, les interminables cycles à la Hutton étaient donc absurdes puisqu'ils représentaient un mouvement perpétuel sous une forme à peine déguisée. Reprenant les idées de Buffon d'une Terre initialement fondue, Kelvin les exploita avec la rigueur mathématique de la théorie de Fourier pour calculer en combien de temps, depuis la formation de la toute première croûte solide formée à la surface du globe, la variation de température avec la profondeur (le gradient géothermique) avait atteint la valeur de 37° par kilomètre observée dans les mines. L'âge de la Terre obtenu de la sorte se situait entre 20 et 400 millions d'années, une large fourchette due aux incertitudes sur les paramètres requis par le calcul (température initiale, conductibilité thermique en profondeur, etc.).

Ce résultat avait pour particularité remarquable d'être du même ordre de grandeur que les 100 millions d'années trouvés pour le soleil, par une tout autre méthode. Cet accord manquait d'autant moins d'être convaincant que les autres modes de datation physiques ou géologiques employés tout au cours du XIXe siècle donneraient des âges comparables. Le physicien George Darwin (1845-1912), fils de Charles Darwin, trouva par exemple que la Lune s'était séparée d'une Terre encore fondue il y a environ 56 millions d'années. Pour un autre physicien, l'Irlandais John Joly (1857-1923), 80 à 90 millions d'années avaient été nécessaires pour que la salure des océans parvienne à sa valeur actuelle. Chez les géologues anglais, surtout, beaucoup d'efforts furent accomplis pour estimer le temps requis pour déposer l'ensemble des sédiments répertoriés à la surface du globe. Les taux de sédimentation et l'épaisseur de la colonne stratigraphique étaient certes mal connus, mais il était bien réconfortant de trouver à nouveau des âges proches d'une centaine de millions d'années. Une question importante, celle de la durée du Précambrien, échappait cependant à l'analyse. Avait-elle été plus longue ou plus courte que celle des temps fossilifères ? Du point de vue de la théorie de l'Evolution, en particulier, il n'était pas indifférent de le déterminer...

A la fin du XIXe siècle la question du temps aurait donc pu sembler tranchée en faveur de Kelvin. Tous n'étaient cependant pas d'accord. Au contraire d'Alfred Wallace (1823-1913), l'autre inventeur de la théorie de l'Evolution, Charles Darwin (1809-1882), en particulier, ne se satisfaisait pas de durées courtes. Pour lui, l'évolution n'avait pu se produire que sur des périodes considérablement plus longues qu'une centaine de millions d'années. En réaction, Kelvin reprit constamment ses calculs et conclut à des durées de plus en plus courtes, ne concédant finalement, en 1896, qu'une vingtaine de millions d'années. Sans que des durées de l'ordre du milliard d'années ne soient toutefois avancées par les géologues, la controverse reprit donc au lieu de s'éteindre tout doucement. Rétrospectivement, il apparut qu'elle prit un tour nouveau en 1899 quand le géologue américain Thomas C. Chamberlin (1843-1928) remarqua que « la constitution interne des atomes est encore une question non résolue. Il n'est pas improbable qu'ils ont une organisation complexe et qu'ils sont le siège d'énormes énergies. Certainement aucun chimiste prudent n'affirmerait soit que les atomes sont réellement des constituants élémentaires, ou que des énergies de première grandeur ne sont pas immobilisées en eux». Et Chamberlin conclut que « les conditions extraordinaires prévalant au centre du Soleil pouvaient libérer une partie de cette énergie ». La seule chose que Chamberlin n'avait pas pressentie, c'est que le train des découvertes qui valideraient son point de vue était déjà en route !

Le point de départ fut la découverte de la radioactivité en 1896, elle même induite par celle des rayons X quelques mois auparavant. Henri Becquerel (1852-1908) cherchait en effet si un rayonnement très pénétrant, analogue aux rayons X, pouvait être induit par l'exposition à la lumière du Soleil de sels luminescents. Quand il détecta la faible action des rayonnements émis par les sels d'urane sur des plaques au gélatino-bromure d'argent, il se heurta en réalité à l'indifférence de la part de physiciens beaucoup plus intéressés par les rayons X et leurs spectaculaires effets radiographiques ! Pierre (1859-1906) et Marie (1867-1934) Curie se démarquèrent de ce point de vue. En 1898, Marie découvre d'abord que le thorium, le second élément le plus lourd après l'uranium, émet lui aussi des rayonnements et, plus important, que des cristaux synthétiques de pechblende sont beaucoup moins actifs que des cristaux naturels. La suite est bien connue. Pierre et Marie se lancent dans un laborieux effort de purification chimique à la recherche d'éléments causant la radioactivité anormalement élevée du minerai. Polonium et surtout radium sont ainsi découverts, suscitant désormais un intérêt qui gagne le grand public mais dont personne ne peut encore deviner la pertinence pour la géologie.

La situation change brutalement en 1903 quand Pierre Curie et son collaborateur Albert Laborde peuvent mesurer les effets thermiques de la radioactivité grâce aux nouveaux efforts qui ont conduit à purifier une quantité de radium assez importante pour une détermination de masse atomique. A leur grande surprise, ceux-ci sont considérables. Les conséquences sur les bilans d'énergie du soleil et de la Terre sont vite tirées. Si les étoiles renferment une quantité significative de radium, alors elles disposeraient d'assez d'énergie pour rayonner pendant des milliards d'années. D'autre part, des traces de radium ont été détectées dans tous les milieux naturels, de sorte que cet élément contribue certainement au bilan thermique de la Terre. On pourrait même imaginer que la Terre se réchauffe si la teneur en éléments radioactifs est assez élevée en profondeur, souligne le physicien anglais Robert Strutt (1875-1947) qui est l'un des premiers à mesurer systématiquement l'abondance du radium dans les roches. Les teneurs beaucoup plus élevées qu'il trouve pour les granités que pour les basaltes le conduisent même à postuler que la croûte est mince de 75 km, sans quoi la chaleur due à la radioactivité créerait un flux de chaleur supérieur à celui qui est mesuré à la surface. Les âges de Kelvin apparaissent beaucoup trop faibles puisqu'ils supposent une absence de sources internes d'énergie. Aucun âge ne peut donc être déduit de l'état thermique de la Terre.

Peu de géologues se mêlent cependant à ces débats. Un autre, lancé peu après de Montréal par le physicien Ernest Rutherford (1871-1937), les laisse également indifférents. Avec son collègue Frederick Soddy (1877-1956), Rutherford a découvert les transmutations radioactives en 1902: l'émission de rayonnements n'est que la manifestation extérieure d'un phénomène plus profond, la transmutation d'un atome en un autre tout au long de chaînes de désintégration dont les points de départ sont les atomes d'uranium et de thorium. Chaque élément radioactif se désintègre à un taux constant qui lui est propre, indépendant de la température, de la pression ou des combinaisons chimiques formées par l'élément considéré. Précédant de ce point de vue Rutherford et Soddy, Pierre Curie avait observé que l'émanation gazeuse produite par le radium perdait exponentiellement son activité, diminuant de moitié tous les trois jours, 23 heures et 42 minutes, la demi-vie. En 1902, il souligna qu'on disposait avec une telle loi d'une mesure absolue du temps, indépendante d'observations astronomiques. Toute variation d'abondance d'un élément radioactif étant la mesure d'un temps écoulé, Rutherford met donc aussitôt en oeuvre sa théorie des désintégrations radioactives pour tenter une datation géologique. Il s'agit d'une datation chimique, car reposant sur les abondances mesurées d'un élément.

Parmi les divers types de rayonnements émis, les plus importants à cette fin sont les rayons alpha, identifiés par Rutherford dès 1898, qu'on suppose à juste titre être des atomes d'hélium ionisés. L'hélium étant un élément extrêmement peu abondant dans les milieux naturels, sa présence dans un minéral ne peut être que le produit de désintégrations radioactives, reconnaît Rutherford. C'est donc dans des minéraux uranifères que l'hélium sera le plus abondant et sa teneur sera d'autant plus élevée que le minéral est ancien. La détermination d'un âge se réduit alors à un simple règle de trois où interviennent la teneur (aisément mesurable) en uranium et la demi-vie de cet élément. Pas très bien connue, cette dernière est sujette à révision constante d'où l'augmentation de 40 à 400 millions d'années du tout premier âge donné par Rutherford entre 1904 et 1906 pour une fergusonite. Ces âges sont évidemment incompatibles avec les courtes échelles de temps de Kelvin, mais les fluctuations des résultats donnés en deux ans par cette étrange méthode ne sont malheureusement pas de nature à emporter l'adhésion. Si Kelvin, la plus haute autorité en physique de son époque, a pu nous méprendre par ses calculs, sont enclins à penser les géologues, comment pourrions-nous être certains que ces nouvelles méthodes ne sont pas également fallacieuses ?

Des déterminations plus exhaustives faites à Londres par Strutt confirment que les âges de minéraux peuvent se compter par centaines de millions d'années. La question de la mobilité de l'hélium ne manque cependant pas de se poser, bien que toute perte en hélium depuis la formation d'un minéral ait pour conséquence que les résultats obtenus représentent des bornes inférieures aux véritables âges. Une autre méthode de datation n'échappant pas à cette difficulté est proposée par le chimiste américain Bertram Boltwood (1870-1927). Celui-ci remarque que les minéraux uranifères sont systématiquement riches en plomb et le semblent d'autant plus que leur âge « stratigraphique » est élevé. Si le plomb est le terme stable de la chaîne radioactive de l'uranium, comme le pense Boltwood, alors l'âge d'un minéral uranifère peut être déduit de sa teneur en plomb et du taux de production de plomb par l'uranium. En 1907 ce taux semble assez bien connu à Boltzmann pour tenter des datations. Il obtient des âges allant de 410 à 2200 millions d'années, qui ont par ailleurs l'intérêt de se placer dans un ordre cohérent avec les observations géologiques.

Strutt et Boltwood ayant rapidement abandonné les datations pour revenir à leurs disciplines respectives, la physique et la chimie, le relais est pris par Arthur Holmes (1890-1965), un jeune géologue anglais doté d'une solide formation en sciences physiques. Reprenant la méthode de Boltwood, il lui fait subir un test rigoureux. Si la quantité de plomb incorporée dans un minéral au cours de sa formation n'est pas nulle, raisonne-t-il, différents minéraux d'une même roche en auront des teneurs différentes ; si ces minéraux donnent malgré tout les mêmes âges, c'est que le plomb radiogénique y est bien plus abondant que le plomb initialement présent. Holmes se tourne vers des syénites à néphéline dévoniennes du district d'Oslo, fraîches et comportant plus d'une dizaine de minéraux uranifères. En 1911, il obtient des résultats concluants car les minéraux d'une même roche donnent des âges radiogéniques semblables, tout comme des roches de même période géologique. Annexant quelques-unes des mesures de Boltwood, il détermine en outre un âge de 340 millions d'années pour le Carbonifère, de 370 pour le Dévonien et de 430 pour le Silurien (en remarquable accord avec les âges modernes de 355, 408 et 435 millions d'années...).

Désintérêt ou scepticisme n'en prévalent pas moins dans les cercles géologiques, comme l'illustrera encore en 1919 l'éminent Pierre Termier (1859-1930). Au sujet du total des périodes géologiques, résumera-t-il, « le sentiment général, parmi les géologues, est que cent millions d'années est un minimum. Depuis la découverte des corps radioactifs, une nouvelle méthode de calcul a surgi, en effet, dont les résultats, assez concordants dans leur ensemble, conduisent à allonger beaucoup les périodes, jusqu'à attribuer à quelques unes d'entre elles cent millions d'années ; mais la méthode repose tout entière sur un postulatum invérifiable, qui est la constance absolue de la vitesse de désintégration de l'atome instable ; de plus, les causes d'erreur, dans de tels calculs, sont nombreuses ». Pour Termier, la conclusion sera donc que « Tout cela est vraisemblable, et cependant très incertain ».

Ce scepticisme général ne décourage pas Holmes. Il le conduit plutôt à défendre sa cause de manière plus complète et rigoureuse. L'aboutissement de ces efforts est un long rapport, paru en 1931, qu'il prépara à la demande du Conseil national des recherches de l'Académie des sciences américaine. Des bases physiques de la radioactivité aux teneurs en éléments radioactifs des minéraux et des météorites, tout ce qui concerne de près ou loin les datations et leurs implications géologiques est passé en revue. La démonstration est assez convaincante pour que les autres spécialistes chargés de présenter les vues de leur discipline - astronomie, stratigraphie, paléontologie, etc. - reconnaissent la validité des méthodes radioactives et admettent avec Holmes que la Terre est vieille de quelques milliards d'années. Par rapport au bon demi-milliard d'années attribué aux temps fossilifères, l'immense durée du Précambrien se précise donc...

De leur côté, physiciens et chimistes avaient bien avancé dans la compréhension des désintégrations radioactives. Les chaînes radioactives s'étaient révélées peuplées de nouveaux éléments, tellement nombreux qu'on ne savait pas comment les ranger dans le tableau de Mendeleïev ! Pour rendre compte des propriétés chimiques étrangement semblables de certains d'entre eux, en 1911 Soddy avait fait un pas important en avançant la notion d'isotopie. C'était désormais le nombre d'électrons qui caractérisait un atome, et non plus sa masse, qui pouvait être variable. Deux isotopes du plomb, de masses 206 et 208, devaient ainsi exister, en étant sans doute chacun le terme d'une chaîne radioactive, de l'uranium pour le premier, et du thorium pour le second. Cette hypothèse fut vite validée par des mesures de masses atomiques. Or elle permettait, en principe, de faire la part du plomb produit par désintégration de l'uranium et du thorium à partir de mesures de la composition isotopique du plomb.

L'intérêt était considérable pour les datations radioactives qui devaient ainsi bénéficier d'une bien meilleure résolution.

La mise en oeuvre de la méthode se révéla toutefois délicate. Un nouvel appareil, le spectrographe de masse, avait été inventé à Cambridge par le physicien Francis Aston (1877-1945), pour séparer des faisceaux d'ions en fonction de leur masse, tout comme un prisme décompose la lumière en ses différentes longueurs d'onde. Obtenant de bons résultats pour les éléments légers dès 1919, Aston doit attendre 1927 pour qu'un nouveau type de spectrographe lui permette de s'attaquer au plomb. C'est alors qu'un géochimiste de l'Institution Carnegie de Washington, Charles S. Piggot (1892-1973), lui propose d'analyser une vieille brôggerite pour en déterminer l'âge d'après ses teneurs en plomb 206 et 208, c'est-à-dire, d'après les deux chronomètres uranium-plomb et thorium-plomb. Ce travail représentera la première datation isotopique tentée, par opposition aux datations chimiques effectuées jusque-là à partir de quantités globales d'hélium ou de plomb produites. Malheureusement, la précision encore médiocre des analyses qu'Aston parvient à faire en 1929 a pour conséquence que les deux âges obtenus ne sont pas en aussi bon accord que Piggot l'espérait. Plus importante apparaît l'observation d'Aston selon laquelle le plomb a deux isotopes de plus qu'escompté. Le premier, de masse 204, n'est pas radiogénique tandis que le second, suppose Aston, de masse 207, est le terme de la troisième chaîne radioactive connue, celle de l'actinium. Aussitôt, Rutherford pousse un cran plus loin la conjecture en supposant que l'actinium n'est lui-même qu'un maillon de la chaîne d'un isotope inconnu de l'uranium, de masse 235, dont il parvient à estimer la demi-vie et qui serait donc plus léger de trois unités que le seul isotope d'uranium, de masse 238, qu'on pensait exister.

Bien qu'imparfaites, les méthodes isotopiques se révèlent encore plus puissantes qu'on pouvait le rêver car on dispose désormais de trois chronomètres pour une même datation : les chaînes ²³⁸U - ²⁰⁶Pb, ²³⁵U - ²⁰⁷Pb et Th - ²⁰⁸Pb. Les deux premiers sont les plus intéressants car, impliquant les mêmes éléments chimiques, ils seront affectés de la même manière par toute altération, réchauffement ou autre perturbation des minéraux qu'on cherche à dater. Il reste cependant un problème à résoudre pour déterminer des âges. Une analogie financière l'illustre simplement : sans connaître le capital initialement investi, il est impossible de déterminer la durée d'un placement à partir du capital final et du taux d'intérêt. Quand deux sommes différentes ont été rémunérées, à des taux différents, on peut en revanche déterminer cette durée dès lors que le rapport initial de ces sommes est connu. Pour déterminer un âge, il suffit donc de connaître le rapport isotopique 207/206 du plomb et non les abondances de chacun de ces deux isotopes. A vrai dire, la question ne se pose pas pour un minéral que l'on veut dater, car la teneur initiale en plomb peut généralement être considérée comme nulle. Pour la Terre dans son ensemble, cela n'est évidemment pas vrai et c'est ce problème que l'existence du plomb 204 va permettre de régler. Puisque cet isotope est le seul à ne pas être radiogénique, son abondance relative n'a pu que diminuer au cours du temps, à mesure que les plombs 206 et 207 ont été produits par la radioactivité. Les rapports 206/204 et 207/204 les plus bas que l'on observe sont nécessairement les plus proches des valeurs initiales. Mais où trouver la trace de ce plomb primordial ?

A cette question, de nouveaux progrès faits en matière d'analyse vont donner de premiers éléments de réponse. Entre les mains d'Alfred O. Nier (1911-1994), de grands gains de précision sont obtenus par la transformation du spectrographe en spectromètre de masse. De fait, les mesures de composition isotopique du plomb de minéraux anciens que Nier publiera entre 1938 et 1941 constitueront pendant plus d'une décennie la seule base de données exploitable. En pleine bataille de Russie, un géochimiste russe, Erich C. Gerling (1905-1985) pense que le plomb d'une galène d'Ivitgut, au Groenland, est la meilleure approximation du plomb primordial. En prenant cette composition comme point de départ, il trouve que les autres sulfures analysés par Nier ont des âges d'environ 3 milliards d'années. Après guerre, des âges semblables sont obtenu par Holmes à partir d'un traitement statistique des mesures de Nier. Mais c'est avec le concept d'isochrone proposé par le physicien allemand Fritz Houtermans (1903-1966) qu'apparaît une méthode de datation fiable car elle permet non seulement de déterminer un âge, mais de s'assurer que celui-ci est correct (Fig. 1).

Fig. 1 : Evolution dans le temps de la composition isotopique du plomb. A la suite des désintégrations de ²³⁸U et ²³⁵U, les abondances de ²⁰⁶Pb et ²⁰⁷Pb croissent tandis que celle de ²⁰⁴Pb reste constante : les rapports²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb et ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb augmentent ainsi avec le temps. Le point de départ de cette évolution est fixé par la composition du plomb primordial. Le chemin parcouru dépend en outre de la teneur en uranium du minéral, car le plomb ²⁰⁴ est en effet dilué d'autant plus vite par les isotopes radiogéniques que cette teneur en uranium est forte. A partir de la même composition primordiale, des minéraux de teneur croissante en uranium définissent ainsi des évolutions de plus en plus marquées. Or ces chemins ont la particularité mathématique très intéressante que des minéraux de même âge, mais de teneurs en uranium différentes, se placent tous sur une même droite partant de la composition primordiale. L'âge est alors très simplement donné par la pente de cette droite, appelée isochrone par Houtermans. Les courbes en trait plein sont ici tracées pour des rapports initiaux (i = U/Pb = 8, 15 et 20), et les isochrones figurées pour 1,5, 3 et 4,5 milliards d'année (droites en tireté).

Il reste cependant à trouver des échantillons dont la composition isotopique approche mieux celle du plomb primordial. C'est au géochimiste américain Harrison Brown (1917-1986) et à son élève Clair Patterson (1922-1995) qu'on doit l'idée d'aller le chercher dans les météorites. Où trouver ailleurs, en effet, des minéraux pauvres en uranium, datant des premiers stades d'accrétion planétaires, dont le plomb n'a été pollué par aucune sorte d'interaction avec du plomb radiogénique ? En 1955, Patterson identifie en effet les plus bas rapports 206/204 et 207/204 dans des inclusions sulfurées de Canyon Diablo, la chondrite carbonée dont la chute a formé le célèbre Meteor Crater, dans l'Arizona. En supposant qu'il tient là les rapports isotopiques du plomb primordial, Patterson a l'immense satisfaction de voir que les autres météorites qu'il a analysées définissent une très belle isochrone d'âge 4,55 milliards d'années (Fig. 2). Quant à la Terre, sa composition, qu'il tire d'analyses du plomb de sédiments océaniques, se place également juste sur cette isochrone. En excluant toute coïncidence, Patterson trouve que la Terre et les météorites ont le même âge, et donc une origine commune.

Fig. 2 : Isochrone de la Terre et des météorites. Carré noir : plomb des sédiments océaniques ; carrés blancs (se recoupant) : météorites (Patterson, 1955).

En dévoilant « le secret le mieux gardé de la Terre », la jeune géochimie isotopique illustre spectaculairement la puissance et l'intérêt des nouvelles méthodes de datation. Complétant le double chronomètre U-Pb, d'autres chaînes comme potassium-argon sont déjà exploitées, précédant bien d'autres qu'on ne peut passer ici en revue, et qui ont permis de dater l'ensemble des divisions de la colonne stratigraphique. Grâce en particulier à de nouveaux progrès analytiques suscités par l'étude des roches lunaires, des dates précises sont obtenues de nos jours par analyse isotopique d'éléments radiogéniques présents en quantités infimes dans de tout petits échantillons. On se contentera de dire que ces méthodes ont confirmé l'âge de 4,55 milliards d'années des météorites. Et si l'âge de la Terre ne peut être déterminé qu'au moyen des deux chronomètres U-Pb, on notera que les plus vieilles roches datées dans les boucliers archéens sont néanmoins vieilles de 4 milliards d'années.

Par rapport aux 570 millions du Cambrien, l'immensité du Précambrien est donc fermement établie. Pour ces terrains pauvres ou totalement dépourvus de fossiles, les datations radioactives ont seules permis de mettre un ordre dans une confusion que la pétrographie ne permettait pas de résoudre. Ironie de l'histoire, ces âges incompatibles avec les vues de Kelvin ont cependant confirmé le postulat fondamental du physicien, à savoir que « l'uniformitarisme doit être rejeté ». Le principe des causes actuelles ne peut en effet s'appliquer qu'à un passé récent. Indépendamment du refroidissement initial, l'apparition et l'évolution de la vie ont tellement modifié les conditions régnant à la surface de la Terre que les processus d'érosion et de sédimentation s'en sont trouvés profondément modifiés. Plus récemment, ce recul de l'uniformitarisme a été accentué par le renouveau du catastrophisme. Que les plus spectaculaires effets aient été dus à des collisions avec des météorites ou à de gigantesques éruptions volcaniques, dans les deux cas leur compréhension passe cependant par une chronologie fine des extinctions que seules les méthodes radioactives peuvent établir.

Compléments de lecture

BURCHFIELD, J.D. (1990). Lord Kelvin and the Age of the Earth, 2nd éd., Chicago University Press, Chicago.

DALRYMPLE, G.B. (1991). The Age ofthe Earth. Stanford University Press, Stanford.

ELLENBERGER, F. (1988, 1994). Histoire de la géologie. I. Des anciens à la première moitié du XVIIIe siècle. II. La grande éclosion et ses prémices, 1660-1810. Technique et Documentation, Lavoisier, Paris.

FAURE, G. (1986). Principes of Isotope Geology. John Wiley & Sons, New York, 2nd ed.

LAUDAN, R. (1987). From Mineralogy to Geology, the Foundations of a Science, 1650-1830. The University of Chicago Press, Chicago.

RICHET, P. (1999). L'âge du monde - A la découverte de l'immensité du temps. Le Seuil, Paris.

RUDWICK, M. (1972). The Meaning of Fossils, Episodes in the History of Palaeontology. Macdonald, London.

Bibliographie

ARISTOTE. Les météorologiques. Trad. fr. par P. Louis, 2 vol, Les Belles Lettres, Paris, 1982.

ASTON, F. W. (1929). The mass spectrum of uranium lead and the atomic weight of protactinium. Nature, 123, p. 313.

ASTON, F. W. (1929). The mass spectrum of lead from broggerite. Nature, 123, p. 793-794.

ASTON, F. W. (1933). The isotopic constitution and atomic weight of lead from different sources. Proc. Roy. Soc. London, (A), 140, p. 535-543.

BECQUEREL, H. (1896). Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents. C. R. Acad. Sci., Paris, 122, p. 501-503.

BECQUEREL, H. (1896). Sur diverses propriétés des rayons uraniques. C. R. Acad. Sci., Paris, 123, p. 855-858.

BOLTWOOD, B. (1907). On the ultimate disintegration products of the radio-active elements. Part II. The disintegration products of uranium. Amer. J. Sci., 23, p. 77-88.

BUFFON, Georges Louis Leclerc comte de (1779). Epoques de la nature. Edition critique avec introduction et notes de J. Roger. Mém. Mus. nat. Hist. nat., Nouv. Sér., (C), 10, V-CLI + 1-316, 1962 ; rééd. 1988).

CHAMBERLIN, T. C. (1899). Lord Kelvin's address on the age of the earth as an abode fitted for life, Science, 9, p. 889-901 et 10, p. 11-18.

CHATEAUBRIAND, F. R. (1802). Génie du Christianisme. Paris.

CURIE, M. (1898). Rayons émis par les composés de l'uranium et du thorium. C. R. Acad. Sci., Paris, 126, p. 1101-1103.

CURIE, M. et CURIE, P. (1898). Sur une nouvelle substance fortement radio-active, contenue dans la pechblende. C. R. Acad. Sci., Paris, 127, p. 1215-1217.

-96 -

CURIE, P. (1902). Sur la constante de temps caractéristique de la disparition de la radioactivité induite par le radium dans une enceinte fermée. C. R. Acad. Sci., Paris, 135, p. 857-859.

CURIE, P. et LABORDE, A. (1903). Sur la chaleur dégagée spontanément par les sels de radium. C. R. Acad. Sci., Paris, 136, p. 673-675.

CUVIER, G. (1812). Discours préliminaire des Recherches sur les ossemens fossiles des quadrupèdes : où l'on rétablit les caractères de plusieurs espèces d'animaux que les révolutions du globe paroissent avoir détruites. Deterville, Paris, publié séparément par la suite comme le Discours sur les révolutions du Globe et sur les changemens qu'elles ont produit dans le règne animal. Rééd. C. Bourgois, Paris, 1985.

DARWIN, C.R. (1859). On the Origin of Species By Means of Natural Selection, or the Préservation of Favoured Races in the Struggle for Life. J. Murray, London. Trad. fr. par D. Becquemont, avec des notes de J.M. Drouin : L'origine des espèces au moyen de la sélection naturelle, ou la préservation des races favorisées dans la lutte pour la vie. GF-Flammarion, Paris, 1992.

DARWIN, G. H. (1879). On the precession of a viscous spheroid, and on the remote history of the earth. Phil. Trans. Roy. Soc. London, 170, p. 447-530 et p. 540-593.

DARWIN, G. H. (1879). Problems connected with the tides of a viscous spheroid. Phil. Trans. Roy. Soc. London, 170, p. 540-593.

FOURIER, J. (1820). Mémoire sur le refroidissement séculaire du globe terrestre. Ann. Chim. Phys., (2), 13, p. 418-437 (1820) et 27, p. 136-167 (1824).

FOURIER, J. (1822). Théorie analytique de la chaleur. Firmin Didot, Paris. Rééd. Jacques Gabay, Paris, 1988.

FOURIER, J. (1824). Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires. Ibid., (2), 27, p. 136-167.

GERLING, E. C. (1942). L'âge de la Terre selon les données de la radioactivité. Dokl. Akad. Nauk, 34, p. 259-261.

HERSCHEL, W. (1811). Astronomical observations relating to the construction of the Heavens, arranged for the purpose of a critical examination, the resuit of which appears to throw some new light upon the organisation of the celestial bodies. Phil. Trans. roy. Soc. London, 101, (I), p. 269-336.

HOLMES, A. (1911). The association of lead with uranium in rock minerals, and its application to the measurement of geological time. Proc. Roy. Soc. London, (A), 85, p. 248-256.

HOLMES, A. (1913). The Age ofthe Earth. Harper & Brothers, London.

HOLMES, A. (1931). In The Age of the Earth. p. 124-459, National Research Council, Washington, D.C.

HOLMES, A. (1947). An estimate of the age of the Earth. Nature, 159, p. 127-128.

HOLMES, A. (1959). A revised geological timescale. Trans. Edinb. Geol. Soc., 17, p. 183-216.

HOUTERMANS, F. G. (1946). Die Isotopenhaüfigkeiten im naturlichen Blei und das Alter des Urans. Naturwiss., 33, p. 185-186.

HOUTERMANS, F. G. (1953). Détermination of the age of the earth from the isotopic composition of meteoritic lead. Nuovo Cimento, 10, p. 1623-1633.

HUTTON, J. (1795). Theory ofthe Earth, with Proofs and Illustrations. W. Creech, Edinburgh.

JOLY, J. (1899). An estimate of the geological age of the earth. Trans. roy. Dublin Soc., 7, p. 23-66.

KANT, I. (1755). Histoire générale de la nature et théorie du ciel, ou essai sur la constitution et l'origine mécanique de l'univers dans sa totalité traité d'après les principes de Newton. Traduction et notes par P. Kerszberg, A.M. Roviello et J. Seidengart. Vrin, Paris, 1984.

LAPLACE, P.S. Considérations sur le système du monde, et sur les progrès futurs de l'astronomie, chapitre VI du Système du monde, in Ouvres complètes, 14 vols, Gauthier-Villars, Paris, 1878-1912.

LEIBNIZ, G.W., Protogée, ou de la formation et des révolutions du globe. Trad. fr. par B. de Saint-Germain. L. Langlois, Paris, 1859. Rééd. avec le texte latin et compléments et notes de J.M. Barrande : Protogée. De l'aspect primitif de la terre et des traces d'une histoire très ancienne que renferment les monuments même de la nature. Presses Universitaires du Mirail, Toulouse, 1993.

LYELL, C. (1830). Principles of Geology, being an attempt to Explain the Former Changes of the Earth's Surface, by Reference to causes now in Opération. J. Murray, London. Rééd. Chicago University Press, Chicago, 1990.

NEWTON, I. (1728). The Chronology of Ancient Kingdoms Amended, to which is prefix'd a Short Chronicle from the First Memory of Things in Europe, to the Conquest of Persia by Alexander the Great. J. Tonson, London. Trad. fr. par F. Granet, La Chronologie des anciens royaumes, corrigée. A laquelle on a joint une chronique abrégée, qui contient ce qui s'est passé anciennement en Europe, jusqu'à la conquête de la Perse par Alexandre le Grand. G. Martin, Paris, 1728.

NIER, A. O. C. (1938). Variations in the relative abundances of the isotopes of comtnon lead from various sources. J. Amer. Chem. Soc., 60, p. 1571-1576.

NIER, A. O. C. (1939). The isotopic constitution of radiogenic leads and the measurement of geological time. II. Phys. Rev., 55, p. 153-163.

NIER, A. O. C., THOMSON, R.W. et MURPHEY, B. F. (1941). The isotopic constitution of radiogenic leads and the measurement of geological time. III. Phys. Rev., 60, p. 112-116.

PATTERSON, C. C. (1956). Age of meteorites and the earth. Geochim. Cosmochim. Acta, 10, p. 230-237.

PATTERSON, C. C., TILTON, G. et INGRAM, M. (1955). Age of the earth. Science, 121, p. 69-75.

PIGGOT, C. S. (1930). Isotopes and the problem of geologic time. J. Amer. Chem. Soc., 52, p. 3161-3164.

RUTHERFORD, E. (1906). The mass and velocity of the a particle expelled from radium and actinium. Phil. Mag., 12, p. 348-371.

RUTHERFORD, E. (1929). Origin of actinium and the age of the earth. Nature, 123, p. 313-314.

RUTHERFORD, E. et SODDY, F. (1902). The cause and nature of radioactivity. Part I., Phil. Mag., 4, p. 370-396.

RUTHERFORD, E. et SODDY, F. (1903). Radioactive change. Phil. Mag., 5, p. 576-591.

SMITH, W. (1816). Strata identified by organized fossils. W. Arding, London.

SODDY, F. (1911). The chemistry of mesothorium. Trans. Chem. Soc., 99, p. 72-83.

STENON, N. (1669). De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus. Florentiae.

STRUTT, R. J. (1906). On the distribution of radium in the Earth's crust, and on the Earth's internai heat. Proc. Roy. Soc. London, (A), 77, p. 472-485.

STRUTT, R. J. (1910). Measurements of the rate at which hélium is produced in thorianite and pitchblende, with a minimum estimate of their antiquity. Proc. roy. Soc. London, 84, p. 379-388.

THOMSON, W. (1852). On the age of the sun's heat. In Popular Lectures. Mac Millan, London, 1894, vol. I, p. 349-368.

THOMSON, W. (1862). On the secular cooling of the earth. Phil. Mag., 4, p. 1-14.

THOMSON, W. (1865). The "doctrine of uniformity" in geology briefly refuted. In Popular Lectures. Mac Millan, Londres, 1894, vol. Il, p. 6-9.

THOMSON, W. (1865). On geological time. In Popular Lectures. Mac Millan, Londres, 1894, vol. Il, p. 10-131.

THOMSON, W. (1895). The age of the earth. Nature, 51, p. 438-444.