ANKH: Egyptologie et Civilisations Africaines

Méthodes de datation

1. La Chronologie

2. Les méthodes de datations non nucléaires

3. Les méthodes de datations nucléaires

4. Biologie moléculaire : l’horloge moléculaire

5. Apports majeurs à la reconstitution de l’histoire de l'Afrique

L’archéologie et les datations physico-chimiques sont cruciales pour la connaissance objective et la compréhension du passé de l’humanité dans tous les cas où font défaut des documents explicites : écrits ou événements repères bien connus et datés comme certaines éruptions volcaniques, certains tremblements de terre.

Les datations sont indispensables non seulement pour les périodes préhistoriques mais aussi aux différentes époques historiques de l’Antiquité aux temps modernes. Elles contribuent donc à retracer les grandes étapes de l’évolution climatique, géologique, biologique et culturelle de la terre et de l’humanité.

La chronologie relative à la Terre est décrite en séquences géologiques dont les délimitations et la nomenclature sont fondées sur l'étude des roches, du climat, du magnétisme terrestre, de l'évolution biologique. Avec "l'apparition" de l'homme s'y ajoute une séquence de nature archéologique qui comporte les différentes étapes de l'évolution culturelle (dans son acception la plus large) de l'humanité. Si l'on ramasse la chronologie terrestre sur une année, alors l'homme moderne, l'Homo sapiens sapiens, apparaît le 15 décembre et l'écriture est inventée dans la matinée du 31 décembre.

Illustration schématique de l'univers "connu". L'échelle de temps est en milliards d'années.

Pour repérer les événements de la façon la plus objective possible il faut définir une échelle de temps (ou référentiel temporel) constituée d’une origine et d’une unité de temps (l’année solaire). Sur cette échelle on affecte un temps “absolu” aux événements, c’est-à-dire leur ancienneté par rapport au présent.

Les méthodes permettant de situer dans le temps les étapes de l'évolution humaine sont multiples [cf. bibliographie] :

- La stratigraphie

- Les relations typologiques

- La dendrochronologie

- La racémisation des acides aminés

- Le dosage chimique : azote, fluor, l'uranium

- L'hydratation de l'obsidienne

- Les traces biologiques : palynologie, paléontologie, micropaléontologie

- La biostratigraphie

- L'archéomagnétisme

- La thermoluminescence

- Les méthodes radioactives : Carbone 14, Potassium-Argon, Uranium/Thorium…

- Les méthodes de la biologie moléculaire

- ...

Toutes les méthodes ne permettent pas d'établir une chronologie absolue : exemples de la typologie, de la stratigraphie, du dosage de corps chimiques qui sont des méthodes de datations relatives. Les méthodes stratigraphiques restituaient déjà, mais seulement de façon relative, localement et non sans lacunes, des successions de cultures et d’âges technologiques. Seules les datations physico-chimiques permettent de déterminer, avec une approximation variable, l’âge absolu des couches de terrain et, par suite, des êtres et objets qu’elles contiennent, ou bien de dater directement les vestiges eux-mêmes lorsqu’ils s’y prêtent. Les méthodes qualifiées d'absolues sont fondées sur des phénomènes physiques naturels susceptibles de positionner un "événement" ou un "objet" sur une échelle de temps absolu : c’est le cas par exemple de la méthode de datation par le Carbone 14 (ou radiocarbone).

Méthodes de datation

Domaine de temps approximatif couvert en années

Dendrochronologie

actuel jusqu’à -7000

Racémisation des acides aminés

actuel jusqu’à -100 000

Hydratation de l'obsidienne

200 bp jusqu’au-delà de - 1 000 000

Archéomagnétisme

actuel jusqu’à -7000

Thermoluminescence_

quelques dizaines d’années bp jusqu’à -300 000

Carbone 14 (ou radiocarbone)

actuel jusqu’à -60 000

Uranium/Thorium

actuel jusqu’à - 300 000

Résonance de spin électronique

quelques 1000 ans à 20 millions d’années

Potassium-Argon

actuel à 4.5 milliards d’années

Limites inférieures et supérieures indicatives de validité des méthodes de datations absolues.

     1. La Chronologie

1.1. Histoire de la Terre

L’histoire de la Terre est décrite en séquences complexes dont la nomenclature et les délimitations sont fondées sur l’étude de la géologie, du climat, du magnétisme terrestre, de l’évolution biologique, de l’évolution culturelle. Un exemple en est donné par le tableau suivant pour les périodes statigraphiques les plus récentes, celle de la fin du tertiaire qui a vu apparaître la première humanité (il y a plus de 5 millions d'années) et celle du quaternaire qui débute il y a environ 1,8 millions d'années :

Nomenclature et délimitations des périodes décrivant l’histoire de la terre : histoire climatique, histoire géologique, histoire biologique, histoire culturelle

L'âge de la Terre est estimé à 4,5 milliards d'années environ. La vie est apparue il y environ 3 milliards d'années (apparition des procaryotes hétérotrophes anaérobies).

Ce tableau doit être adapté selon les différentes régions de la Terre notamment pour ce qui concerne les faits archéologiques et culturels :

. le paléolithique supérieur est plus ancien en Afrique que dans les autres régions du monde,

. le néolithique démarre à des périodes différentes suivant les régions de la Terre,

. l'époque de l'apparition de l'agriculture, l’ordre et l’époque d’apparition des différents types de métallurgie (bronze, cuivre, fer, …), etc. varient suivant les régions de la Terre.

1.2. Chronologie relative et chronologie absolue

Si l’on considère deux événements ou deux objets sur l’échelle des temps, on conçoit que l’on puisse raisonner :

- soit en relatif : A est avant B   ou    B est après A

L'intervalle de temps D_AB = t_A - t_B   est connu mais t_A et   t_B restent inconnus.

- soit en absolu :          A s’est produit au temps t_A

                                               B s’est produit au temps t_B

t_A et t_B sont connus.et t_A < t_B



Les méthodes de datation qui sont fondées sur des données ou des mesures liées à l’environnement permettent seulement de positionner deux événements (ou deux objets) l’un par rapport à l’autre sans être capable de fournir des valeurs à t_A et t_B: ce sont les méthodes de datation relatives d’où découle l’établissement d’une chronologie relative.

Exemple : les modèles d’avion ou de voiture entre le début du siècle et aujourd’hui. Plus loin dans le temps : les modèles de poterie, …

Les méthodes de datation absolue conduisent, elles, à affecter une valeur de temps aux événements ou aux objets sur une échelle de temps astronomique.

1.3. Premières attestations écrites sur la chronologie

Fixer les événements sur une échelle de temps, c’est-à-dire établir une chronologie, exige de disposer d’un système de mesure des durées (on parlera de mesure du temps par abus de langage). Disposer d’un tel système suppose un appareil conceptuel suffisamment élaboré pour dégager la notion d’unité (unité de temps ici) ainsi qu’une observation sur la longue durée de phénomènes astronomiques pertinents avec relevés, analyse/tri et archivage des données d’observation.

En Afrique, dans la vallée du Nil, en Egypte, dès l'Ancien empire égyptien co-existent trois calendriers dont l’élaboration remonte à une période antérieure :

- le calendrier lunaire, divisé en mois lunaires,

- le calendrier solaire ou civil comprenant 12 mois, 30 jours et 5 jours épagomènes

- le calendrier sothiaque : 12 mois, 30 jours, 5 jours épagomènes, 1 jour épagomène tous les 4 ans ou 1an tous les 1460 ans.

Tous les 1460 ans (4x365 : ajouter 1 jour tous les quatre ans est équivalent à ajouter un an tous les 1460 ans) il y a coïncidence entre le calendrier solaire et le calendrier sothiaque. Les Egyptiens ont divisé le jour en 24 heures égales.

Plusieurs documents attestent de la chronologie égyptienne :

- Le calendrier d’Éléphantine (1450 av. J.-C.)

- Le plafond astronomique de la tombe de Snenmout (1500av. J.-C.)

- La pierre de Palerme

- La table royale d’Abydos, Salle des Ancêtres. Le pharaon Sethi Ier avec son fils Ramsès II.

- L’histoire de l’Egypte de Manethon : 30 dynasties ou familles régnantes de 3100 av. J.-C. (unification de l’Egypte par le pharaon Narmer-Ménès) à –343 (année de la mort du dernier pharaon autochtone, Nectanébo II). Manéthon a vécu sous le règne de Ptolémée Ier de 305 à 282 av. J.-C.

Le calendrier d’Éléphantine (1450 av. J.-C.)                                                 Clepsydre (vers 1300 av. J.-C.)

Les Egyptiens ont conçu des instruments pour mesurer les durées de jour comme de nuit. L’horloge à ombre et la clepsydre en sont des exemples. Ces instruments faisaient partie du mobilier divin.

     2. Les méthodes de datations non nucléaires

2.1. La statigraphie

Hérodote (480 av. J.-C.) avait fait mention dans son “ Enquête ” sur l’Egypte (Livre II, Euterpe) du processus de formation, par apport d’alluvions, du delta du Nil en Egypte et de son déroulement sur la durée (20 000 ans).

Les premières constatations (écrites) de l’existence de la succession de strates géologiques sont dues à Gaston ONEN en 1570 (publication en 1796).

Reprise en a été faite par Niels STEENSEN dit “ STENON ” en 1669. Il énonce les “ lois de STENON ” qui décrivent les principes régissant l’ordre de superposition des couches sédimentaires.

Au 18^ème siècle c’est la publication par BUFFON (Georges-Louis LECLERC, comte de BUFFON) dans “ Histoire Naturelle ” de coupes géologiques.

A partir de cette époque apparaît le souci de décrire de façon précise l’emplacement d’artefacts trouvés dans le sol et donc de les situer par rapport à la géologie du site. (John FRERE, 1797 : silex taillés du site de Hoxne Suffolk).

Ainsi progressivement, avec de nombreuses difficultés (voir les démêlés de Jacques Boucher de Perthes avec la communauté scientifique de son époque) les notions de chronologie historique et celles de chronologie géologique vont être rapprochées.

Exemples de relevés statigraphiques :

Statigraphie de la gorge d’Olduvaï en Afrique de l’Est montrant le positionnement des fossiles et des industries lithiques. Ces différentes strates ou couches témoignent de la présence continue de l’homme pendant 2 millions d’années dans cette région du monde.

(Cf. Encyclopédie d’Archéologie de Cambridge, Editions du Fanal, 1981, p. 67 ; traduction de The Cambridge Encyclopedia of Archaeology, Trewin Copplestone Publishing Limited, 1980)

Statigraphie à Koobi Fora (à gauche) et Ileret (à droite) d’après A. Walker et R.E. Leakey, 1988.

(Cf. D. Grimaud-Hervé et al., Histoire d’ancêtres, Editions Artcom’, 1998, pp. 35-37)

Des règles méthodologiques sont édictées pour l’utilisation de la statigraphie :

- le principe de superposition : une couche géologique est plus récente que celle qu’elle recouvre,

- le principe de continuité : une couche délimitée par un plancher et un plafond, définie par un faciès donné est de même âge en tous ses points,

- le principe d’identité paléontologique : deux couches aux mêmes fossiles “ caractéristiques ” ou “ fossile s de niveau ” ont le même âge.

Jacques Boucher de Perthes (1863) est considéré comme l’un des pères de la paléontologie moderne.

A noter deux cas particuliers :

- la tephrochronologie fondée sur l’identification de nappes de laves : cf. cas de Théra (Santorin) en 1450 av. av. J.-C., Pompéi en 79, …

- la méthode des varves : les varves sont des couches sédimentaires (feuillets) où alternent des matériaux argileux et sableux. Leur formation est lié à la fonte des glaciers.

2.2. La dendrochronologie

Elle est due à un astronome américain A. E. Douglas.

Son principe est illustré par les schémas ci-dessous :



Coupe horizontale d’un arbre. Cernes.

Séquence dendrochronologique.

On compte les cernes de l’arbre. Il y a formation d’une cerne par an.

Cependant, dans la réalité tout n’est pas aussi idéal : des phénomènes particuliers affectent la précision de cette méthode de datation, provoqués par des “ dérèglements ” climatiques :

            - manque de cernes

            - suppléments de cernes

Cette méthode de datation nécessite un calage sur une échelle de temps absolu :

- par chevauchement à partir du temps présent, en partant de vieux arbres vivants,

- par recoupement avec d’autres données chronologiques (événement historique, datation par la méthode du radiocarbone, donnée climatique, …).

Inversement la dendrochronologie a permis de calibrer les dates brutes du Carbone 14 (cf. Séquoia géant : 200 av. J.-C., Pinus aristata : 7000 av. J.-C.)

Pin du Japon Musée Okhayama, Japon

2.3. La racémisation des acides aminés

Certaines molécules (assymétriques) existent sous deux formes stéréo-isomériques (deux dispositions spatiales différentes pour une même molécule) :

- lévogyre (L)

- dextrogyre (D)

De telles molécules sont aussi appelées énantiomères (déviation spécifique d’un faisceau de lumière polarisée). Seul l’énantiomère (L) est synthétisé dans les organismes vivants. Mais l’on observe que certaines molécules comme les acides animés passent lentement et spontanément de la forme (L) à la forme (D). Ce phénomène dit de racémisation se produit avec une certaine vitesse.

Il se trouve que certains acides aminés subsistent dans les os par exemple (acides aminés dérivés de la protéine collagène) ; on a pu en détecter sur certains fossiles vertébrés de plus de 300 millions d’années.

Donc, dans le principe, si l’on connaît la vitesse de racémisation on doit pouvoir remonter à l’âge de l’os.

Exemple : l’acide asparique possède une vitesse de racémisation associée à une période (demi-vie) de 15 000 ans à 20°C.

2.4. Le dosage chimique : fluor, azote, uranium

L’idée du dosage du fluor contenu dans les ossements (os, dents) est due à J. Middelton (1844) qui observa que le fluor de l’eau des nappes phréatiques est graduellement absorbé dans les os : il y a échange du fluor avec les ions hydroxyde de l’hydroxyapatite :

Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (hydroxyapatite) à Ca₅(PO4)₃F (fluorapatite)

Sa validité atteint 100 000 ans. Mise au point par A. CARNOT en 1890, elle a acquis sa célébrité avec la mise en évidence de la surpercherie de l’homme de Piltdown par l’anglais K.P. OAKLEY dans les années 50.

La méthode du dosage de l’azote est fondée sur la diminution graduelle de la teneur en azote dans des matériaux organiques, en particulier dans les os. La proportion d’azote décroît de façon relativement uniforme en fonction du temps.

Comme pour le fluor, la méthode du dosage de l’uranium est fondée sur l’accumulation dans le squelette de l’uranium par diffusion de l’eau à travers les couches dans lesquelles le squelette a séjourné.

2.5. L’hydratation de l’obsidienne

Cette méthode est due à I. Friedmann et R. L. Smith (1948), D. Clark (1959)

L’obsidienne est un verre naturel. En présence d’eau se forme une couche hydratée dont l’épaisseur augmente en fonction du temps selon une loi :

x² = kt

x : épaisseur de la couche hydratée

k : constante de diffusion dépendant de la température

t : temps

Variation de la constante de diffusion de l'hydratation k selon les différents lieux géographiques (d'après I. Friedmann et R.L. Smith, American Antiquity, 1960, cité par P. R. Giot, L. Langouet, cf. bibliographie.

Ce sont les cassures artificielles faites par l’homme qui sont intéressantes.

2.6. Les traces biologiques : palynologie, paléontologie, micro-paléontologie

“ La palynologie repose essentiellement sur le fait que l’existence d’espèces données et plus encore la coexistence de plusieurs espèces dans des proportions données est caractéristique d’un climat ”

On compare l’évolution climatologique établie par les méthodes nucléaires au “spectre” des pollens collectés. On espère établir à l’échelle mondiale des corrélations entre l’évolution des organismes vivants et les âges géologiques dès le Précambrien.

2.7. L’archéomagnétisme

Cette méthode est valide pour la période historique. Le champ magnétique terrestre connaît des variations au cours du temps. Autrement dit sa direction et son intensité varient en fonction du temps. Ce champ fait l’objet de relevés systématiques depuis le début du 17^ème siècle. Par ailleurs, il se trouve que les argiles contiennent certains oxydes de fer, tels que la magnétite (Fe₃O₄) et l’hématite (Fe₂O₃). Les argiles utilisées pour la confection des fours et des poteries peuvent contenir jusqu’à 7% de divers oxydes de fer. Lorsque se produit une élévation de température suffisante les moments magnétiques des oxydes de fer ont tendance à s’aligner sur la direction du champ magnétique externe en l’occurrence le champ magnétique terrestre, au moment de la cuisson. Lors du refroidissement la direction acquise des moments est conservée et il subsiste une aimantation autonome et permanente colinéaire au champ magnétique terrestre : c’est le magnétisme thermo-rémanent.

2.8. Les relations typologiques

La recherche des séries typologiques date de 1866 avec Hans Hildebrand et Oscar Montélius qui publia en 1903 un ouvrage décrivant la méthode typologique. Les typologies sont à caractère morphologique ou stylistique. Elles reflètent une évolution permettant de procéder à une datation typologique relative.



Bibliographie : Cheikh Anta Diop, Physique nucléaire et chronologie absolue, IFAN-Dakar/NEA, Dakar/Abidjan, 1974 ; P. R. Giot, L. Langouet, La datation du passé – La Mesure du Temps en Archéologie, Revue d’Archéométrie, GMPCA, Université de Rennes, 1984 ; E. Roth et B. Poty (sous la direction de), Méthodes de datation par les phénomènes nucléaires naturels. Applications, Ouvrage collectif, Paris, Masson, 1985. Michel Fontugne, “Progrès de la datation par le Carbone 14”, Archéologia, n°323, mai 1996, pp. 26-33 ; L. M. Diop-Maes, ANKH n° 8/9, pp. 145-181 ; L. M. Diop, Afrique noire – Démographie, sol et histoire, Paris, Présence Africaine, 1996, Annexe 1, pp. 317-334.

     3. Méthodes de datation par les méthodes nucléaires

3.1. Généralités

La datation par les méthodes nucléaires est fondée sur les lois physiques qui régissent les phénomènes de la radioactivité.

On rappelle ci-après quelques relations de base.

Soit N(t) le nombre de noyaux radioactifs de même nature présents à un instant t. N(t) est donné par l'expression :

N(t) = N₀e^-^lt

où :

- N₀ est le N₀ est le nombre de noyaux du type considéré présents à l’instant initial t₀: N(t₀) = N₀

- l est la constante de désintégration totale (la probabilité par unité de temps qu’un atome se désintègre). Elle est caractéristique d’un isotope donné.

La période T est la durée à l’issue de laquelle la probabilité de « survie » du nucléide est égale à 1/2 :

N(t) = N₀e^-^lT = N₀/2

On en déduit :               T = ln2/l = 0.693/l

Exemple d'application : détermination de l’âge de la Terre.

On admet :

- que l’uranium 235 et l’uranium 238 ont été produits initialement en même quantité (hypothèse d’homogénéité),

- que le système physique considéré (système solaire) est clos (pas de pertes vers l’extérieur ou d’apports extérieurs),

- que les constantes de décroissance radioactive ne varient pas avec le temps (cf. ANKH n°1)

Aujourd’hui les mesures donnent la valeur suivante du rapport d’abondance entre l’uranium 235 et l’uranium 238 :

N_U235/N_U238 = 0.7% = 0.007

l_U235 = 0.155125 10^-9 an^-1

l_U238 = 0.98485 10^-9 an^-1

Or d’après la loi qui régit la radioactivité on a :

N_U235(t) = N_U235(t=0) exp(-l_U235t)

N_U238(t) = N_U238(t=0) exp(-l_U238t)

D’où l’on déduit :

Age de la Terre = t = -(1/(l_U235 - l_U238)) ln(0.007) = 6. 10⁹ ans

Liste des méthodes de datations nucléaires

Les méthodes de datations nucléaires sont classées en trois groupes :

- Le groupe I rassemble les méthodes qui mesurent les isotopes radioactifs primitifs par accumulation des isotopes stables issus de décroissances radioactives. Par exemple, la méthode du Potassium-Argon appartient à ce groupe.

- Le groupe II regroupe les méthodes qui utilisent les isotopes radioactifs de l’uranium.

- Le groupe III contient les méthodes utilisant les isotopes cosmogéniques. La méthode de datation par le carbone 14 appartient à ce groupe

Méthodes

Période de décroissance radioactive

en années

Domaines d’application

Rubidium-strontium (Rb87/Sr87)

48.8 10⁹

8. à 3. 10⁹ ans. Datations des roches

Rhénium-osmium (Re187/Os187)

45.8 10⁹

10⁶ à 4.5 10⁹ ans. Datations de météorites. Etude de la minéralisation.

Lutétium-hafnium (Lu176/Hf176)

35.7 10⁹

? à 4.5 10⁹ ans. Etude de l’évolution planétaire.

Uranium-thorium-plomb (U/Th/Pb)

U238 : 4.47 10⁹

U235 : 7.03 10⁸

Th232 : 14.0 10⁹

10⁶ à 4.5 10⁹ ans. Datation de formations géologiques.

Déséquilibres famille de l’uranium

U238 : 4.47 10⁹

0. à 350 000 ans. Etude des niveaux marins, de la paléo-climatologie. Archéologie : datations des os et dents fossilisés.

Traces de fission

U238 : fission spontanée

10⁶ à 2. 10⁹ ans. Etude du volcanisme, de l’histoire thermique des roches, de la tectonique des plaques continentales.

Thermoluminescence

rayonnements a, b, g

Dizaines d’années à 300 000 ans. Archéologie : céramiques, …Géologie : volcanisme récent.

Résonance de Spin Electronique

électrons

10³ à 2. 10⁸ ans. Datations d’os fossiles, de bois, de silex, … carbonates, coraux.

Potassium-Argon (K40/Ar40)

1.25 10⁹

Actuel à 4. 10⁹ ans. Datation des roches.

Argon 39 – Argon 40

2.69 10²

10⁶ à 4.5. 10⁹ ans. Etude de l’histoire thermique et tectonique d’une roche.

Bérylium 10

1.5 10⁶

Indicateur des variations du rayonnement cosmique dans le passé.

Aluminium 26

7.16 10⁵

Etude de la matière extraterrestre.

Calcium 41

10⁵

Datation d’ossements entre 50 000 et 1 000 000 d’années. Relève du Carbone 14.

Chlore 36

3.01 10⁵

10⁴ à 3. 10⁶ ans. Etude de l’érosion de croûte terrestre. Etude des eaux souterraines.

Carbone 14

5.730 10³

40 000 puis 70 000 ans. Archéologie, hydrologie, climatologie, géologie récente, ...

Silicium 32

2.69 10²

100 à 1000 ans. Glaciologie, hydrologie.

Argon 39

10²

100 à 1000 ans. Glaciologie, océanographie hydrogéologique.

Plomb 210

20.4

20 à 150 ans. Datation des glaces. Etude de la haute atmosphère.

Tritium, tritium-hélium 3

12.43

1 à 35 ans. Datation des glaces. Climatologie polaire. Etudes océanographiques.

3.2. La méthode de datation par le Carbone 14 ou radiocarbone.

Le principe de la méthode.

Le carbone 14 (ou C14), isotope radioactif du carbone comportant dans son noyau 6 protons et 8 neutrons (donc 14 nucléons), avait été découvert en 1937 par M. Kammen, à Berkeley en Californie. Mais, c'est en 1946-47 que le physicien américain W. F. Libby[1] de l’Institute for Nuclear Studies and Department of Chemistry de l’Université de Chicago, et ses collaborateurs, imaginent une méthode de datation radioactive fondée sur l'utilisation du carbone 14. Deux observations avaient conduit à la mise au point de cette méthode :

- l’identification de la réaction :

Azote 14 + neutron à Carbone 14 + proton

dans les hautes couches de l’atmosphère,

- et la radioactivité, détectée grâce à un compteur Geiger-Müller, d’un gaz, le méthane formé d’atomes d’hydrogène et de carbone (CH₄), en provenance des égouts (!) de la ville de Baltimore aux USA :

Carbone 14 à Azote 14 + particule bêta + antineutrino

Autrement dit, les organismes vivants (la matière organique : animaux, végétaux) assimilent le gaz carbonique contenu dans l’atmosphère et ce gaz carbonique contient, en très faible proportion, un isotope radioactif du carbone : le carbone 14. Tout organisme tant qu’il est en vie, présente la même radioactivité que le gaz carbonique atmosphérique. Lorsque l’organisme vivant meurt, l’échange avec le milieu ambiant cessant, il n’y a plus d’apport de gaz carbonique atmosphérique et par conséquent, la quantité de carbone 14 contenue dans les tissus organiques décroît de manière exponentielle avec le temps. En comparant la radioactivité d’un échantillon d’un organisme animal ou végétal mort à la radioactivité du carbone atmosphérique on déduit l’âge de cet échantillon défini comme le temps écoulé depuis sa mort.

D’autres voies de formation du carbone 14 existent, mais elles sont marginales :

O16(n,He3)C14, O16(p,3p)C14, O16(n,a)C14, N15(n,d)C14, C13(n,g)C14.

Le taux de production du carbone 14 est de 0.96 atome par cm² de surface terrestre et par seconde à l’équateur, 4.99 atomes/cm².s aux pôles (valeur cumulées sur 18 km d’altitude).

Le carbone se trouve réparti dans différents “ réservoirs ” : l’atmosphère, la biosphère, l’humus, les matières organiques, les carbonates/bicarbonates représentant globalement une quantité de 8.45 g/cm²de surface terrestre.

La relation donnant l’âge t de l’échantillon à dater s’écrit :

t = (1/l) ln (N₀/N)

avec :

l = constante de désintégration radioactive = (ln2)/T où T = 5730 ans ± 40 ans (1962, Godwin) est la période du carbone 14

l = 1.209 10^-4 a^-1. (Par convention dans les calculs on utilise T = 5568 ans)

N₀= nombre d’atomes de carbone 14 initial

N = nombre d’atomes de carbone 14 comptés à l’instant t.

L’activité naturelle du carbone 14 est 13.56 ± 0.07 désintégrations/minute.gramme de carbone. Le comptage des désintégrations se fait à l’aide d’appareils appropriés.

L’utilisation de ces appareils doit s’accorder avec le mode de traitement chimique des échantillons à dater. Ainsi :

- le compteur proportionnel est utilisé par la méthode du CO₂ qui consiste à recueillir par un traitement chimique le carbone 14 sous lune forme gazeuse. C’est ce gaz contenant le carbone 14 qui est introduit das le compteur. Ce dernier mesure l’activité du carbone 14 contenu dans le gaz c’est-à-dire qu’il compte le nombre de désintégrations des atomes de carbone 14.

Laboratoire du radiocarbone de Dakar : banc de traitement chimique des échantillons archéologiques (à gauche), compteur rempli du gaz issu du traitement chimique de l'échantillon et renfermant le carbone 14 radioactif à doser (au centre), système de comptage des désintégrations radioactives du carbone 14 de l'échantillon (à droite).

- le scintillateur liquide est mis en œuvre pour mesurer le carbone

14 présent dans les molécules de benzène (C₆H₆) synthétisées à partir du traitement chimique de l’échantillon à dater.

A gauche vue du banc de synthèse du benzène (C₆H₆). On synthétise à partir du carbone contenu dans l’échantillon à dater, cette molécule organique six fois plus riche en carbone que celle du dioxyde de carbone CO₂. A droite, vue du spectromètre-analyseur à scintillation liquide TRICARB 3170 TR/SL installé dans la salle Théodore Monod du laboratoire de datation par le radiocarbone de Dakar (Cf. ANKH n°10/11). Il existe un laboratoire de datation par le Carbone 14 à Niamey qui utilise cette méthode.

- le tandétron est un accélérateur de particules permettant de faire de la spectrométrie de masse, c’est-à-dire de mesurer la quantité relative de carbone 14 par rapport à celle du carbone 12. Pour ce faire l’échantillon à dater est transformé en graphite qui est une forme cristalline du carbone. Il est ensuite bombardé par un faisceau de césium qui provoque l’éjection d’ions issus de l’échantillon-cible en graphite, dont le carbone 14. La spectrométrie de masse permet de séparer les ions carbone 14 des autres ions et de les compter.

La nature des échantillons datés.

Les objets et les quantités traités sont indiqués ci-après :

Objets

Quantité en grammes

Charbon de bois, tissus, bois, graine, paille

10 à 15

Terre charbonneuse

50 à 100

Tourbes

30 à 50

Os

100 à 1000

Coquillage, carbonates

20 à 100

Exemple : datation par le radiocarbone d’un papyrus égyptien

      Papyrus de Moscou, 1850 av. J.C.

La mesure par un compteur Geiger-Muller du carbone 14 contenu dans un papyrus égyptien donne n₁= 5 coups par minute alors qu’un papyrus fabriqué aujourd’hui dans les mêmes conditions à partir des roseaux du Nil donne n₂= 8 coups par minute.

On en déduit l’âge du papyrus égyptien :

t = (1/l) ln (n₁/ n₂)

t = (5730/0.693) ln (5/ 8) = 3800 ans BP soit 1800 B.C. (fin du Moyen Empire égyptien)

La validité de la méthode.

Plusieurs facteurs de nature différentes constituent des sources potentielles d’erreurs et qu’il convient de cerner :

- l’inhomogénéïté de la répartition du carbone 14 dans les différents “ réservoirs ”

- le fractionnement isotopique qui provoque un appauvrissement ou un enrichissement en carbone 14

- la variation dans le passé de la concentration du carbone atmosphérique

- les modifications récentes de l’environnement : ère industrielle et nucléaire (charbon, pétrole, bombes nucléaires)

- contamination de l’échantillon à dater

- l’incertitude statistique de la mesure.

La dendrochronologie et la chronologie égyptienne ont permis de mettre en évidence les variations dans le temps du carbone atmosphérique. Un décalage apparaît vers 2000 ans avant le présent et il atteint 800 ans à 6000 ans avant le présent. Il semble se réduire vers 4500 ans.



Datations au Carbone 14 d'échantillons archéologiques d'Egypte et de Mésopotamie d'âge connu (source : W. F. Libby, Radiocarbon dating, University of Chicago Press, 1955.

Notations :

BP : Before Present (1950 est la date de référence)

AD : Anno Domini à après Jésus-Christ

BC : Before Christ

Correspondance entre l’âge conventionnel et date calibrée d’un échantillon

Une date est obtenue à partir de plusieurs mesures faisant l'objet d'un traitement statistique. Une date est donc nécessairement accompagnée d'un chiffre indiquant l'erreur statistique associée ainsi que de l'intervalle de confiance correspondant comme l'illustre le schéma suivant :

Notion d’erreur statistique sur la mesure de l’âge d’un échantillon.

Cheikh Anta Diop précise les domaines de contribution du laboratoire qu’il crée en 1963-1966 à l’Université de Dakar :

“Dès à présent le laboratoire peut apporter sa contribution [2] :

1° à l'étude des manifestations culturelles de l'homo sapiens [...] depuis 32000 ans

2° à un programme d'étude géologique du quaternaire et du quaternaire africain en particulier : étude paléoclimatologique, désertification du sahara, [...]

3° à un programme d'étude océanographique : l'avance et le recul de la mer [...] ; étude des eaux profondes, des courants et de leurs mouvements, des sédiments marins, de la production de phytoplancton, etc.

4° à l'étude des eaux fossiles en général, épuisement ou renouvellement d'une nappe phréatique, celle du Cap-Vert par exemple. On sait qu'une telle étude doit précéder maintenant l'installation de toute nouvelle agglomération industrielle.

5° l'étude de la radioactivité atmosphérique et celle de la végétation depuis 1950, date qui marque le début de l'ère nucléaire.

6° Il peut, accessoirement, et pour rendre service, pratiquer la technique des traceurs en biologie animale ou végétale et doser l'activité de composés marqués par un radioélément quelconque et en particulier par du C14, soit en vue d'une application thérapeutique, soit pour l'étude du métabolisme des graisses, de la photosynthèse, de l'utilisation des engrais, etc...

7° La double couronne de [compteurs] cosmiques de l'ensemble de "datage" est accessoirement, ce qu'on a de plus efficace, sur place, pour suivre l'activité du soleil et pour doser le rayonnement cosmique ”

Cheikh Anta Diop évoque aussi la possibilité éventuelle d'y pratiquer certaines mesures de physique nucléaire et la mise en œuvre de méthodes annexes comme celles relatives au traitement des os :

- le “Dosage du fluor qui permit à Oakley en 1954 d'établir que le crâne et la mâchoire de l'homme de Piltdown n'appartiennent pas à un même individu et qu'on était en présence d'un faux fabriqué de toute pièce.”

. le “Dosage de l'azote qui permet de savoir à l'avance, dans le cas des os très fossilisés, si le dosage à partir du carbone d'origine organique, du collagène est encore praticable...”.

Bibliographie

[1] E. C. Anderson, W. F. Libby, S. Weinhouse, A. F. Reid, A. D. Kirshenbaum, A. V. Grosse, “Natural Radiocarbon from Cosmic Radiation”, Physical Review, volume 72, number 10, november 15, 1947, pp. 931-936 ; Cheikh Anta Diop, Physique nucléaire et chronologie absolue, Dakar, IFAN-NEA, Initiations et Études africaines n° XXXI, 1974 ; Michel Fontugne, “Progrès de la datation par le Carbone 14”, Archéologia, n°323, mai 1996pp. 26-33 ; Georgette Délibrias, “Le Carbone 14”, dans l'ouvrage collectif Méthode de datation par les phénomènes nucléaires naturels - Applications, sous la direction de Étienne Roth et Bernard Poty, Paris, Masson, 1985, chapitre XV, pp. 421-458.

[2] Cheikh Anta Diop, Physique nucléaire et chronologie absolue, Dakar, IFAN-NEA, Initiations et Études africaines n° XXXI, 1974, Cheikh Anta Diop, Le Laboratoire de radiocarbone de l’IFAN, Dakar, Université de Dakar – IFAN, Catalogues et Documents n° XXI, 1968, pp. 22-24.

     4. Biologie moléculaire : l’horloge moléculaire

Parallèlement à la découverte, à l'étude et à la datation des fossiles, des industries lithiques, des sites d'occupation du sol, des peintures rupestres, la biologie moléculaire, avec les études du sang [1], des gènes chromosomiques, de l’ADN mitochondrial, apporte aussi son éclairage propre sur l'origine de l'homme (l'homme moderne plus particulièrement). Ce type d'études s'est développé d'abord dans les années 1970 avec M. Nei et A. Roychoudury, ensuite par Jim Wainscoat [2], Allan C. Wilson [3] et ses collaborateurs, Gérard Lucotte et Jacques Ruffié [4]. Depuis, ces études n'ont cessé de se multiplier. Luigi Luca Cavalli-Sforza et son équipe établissent des recoupements entre les données de la biologie moléculaire, les données de la linguistique et celles de la paléontologie [5].

L'idée de “l'horloge moléculaire” ou chronomètre moléculaire a été émise en 1963 par Emile Zuckerkandl et Linus Pauling. Il s’agit “ d’une méthode génétique nouvelle pour établir les ressemblances entre les différentes espèces et pour dater leur origine” [6]. Elle établit “ une corrélation entre le temps écoulé depuis la séparation de deux espèces ou de deux peuples, et l’importance de leurs différences moléculaires” [7].

Son principe repose sur le fait que certaines molécules qui composent les êtres vivants subissent des modifications - on dit aussi mutations - au cours du temps [8]. Il est donc nécessaire de disposer d’une échelle de mesure qui indique en combien de temps (milliers, millions d’années par exemple) se produit une modification ou mutation.

Deux types de molécules sont utilisées pour ces études : les protéines et les acides nucléiques ou ADN (Acide DésoxyriboNucléique).

- Les protéines : le cas de l’hémoglobine.

Les protéines sont les premières molécules qui ont été utilisées pour établir les différences entre le singe et l’homme.



La figure ci-après (cf. référence de la note 6, p. 63) montre le schéma évolutif qui découle de ce type d’analyse :

La correspondance entre le temps d’évolution et les modifications constatées a été initialement établie à partir de repères géo-paléontologiques :

. différenciation des oiseaux : remonte à 200 millions d’années

. différentiation des mammifères : remonte à 65 millions d’années avec la disparition des grands reptiles

- L’ADN : le cas de l’ADN mitochondrial

En 1985, le professeur Svante Pääbo produit la première mise en évidence de la préservation de l'ADN dans les restes humains et la démonstration de la possibilité non seulement de le récupérer mais aussi de le dupliquer.

Structure de l’ADN

Les mitochondries qui sont dans les cellules renferment un ou plusieurs filaments d’ADN. La particularité des mitochondries réside en ce qu’elles ne sont transmises aux enfants que par la mère.

En 1987, Allan Wilson, chercheur d’origine néo-zélandaise et Rebecca Cann à l’Université de Berkeley, aux Etats-Unis, analysent 147 échantillons d’ADN mitochondrial appartenant à un éventail représentatif de l’ensemble de la population humaine de la Terre. Ils proposent à l’issue de cette étude une reconstruction de l’arbre généalogique de la famille humaine à partir de l’ancêtre commun le plus récent.

L’arbre de l’ADN mitochondrial selon A. Wilson et es collaborateurs

« La logique sur laquelle repose la construction d’un arbre généalogique mitochondrial est simple : les séquences semblables, c’est-à-dire présentant un grand nombre de mutations communes, indiquent une parenté étroite, les séquences présentant des différences importantes indiquent au contraire un lien plus éloigné. En termes visuels, les parents proches, partageant un ancêtre relativement récent, apparaîtront sur l’arbre généalogique sous la forme d’un groupe compact, tandis que les parents éloignés, dont l’ancêtre commun est plus ancien, seront plus dispersés » [9].

Bibliographie

[1] Jean Bernard, Le sang et l’histoire, Éditions Buchet/Chastel, 1983.

[2] Jim Wainscoat, "Out of the garden of Eden", in Nature, Vol. 325, 1 January, 1987, p. 13.

[3] Allan C. Wilson et al., "Mitochondrial DNA and human evolution", in Nature, Vol. 325, 1 January, 1987, pp. 31-36.

[4] Gérard Lucotte et Jacques Ruffié, Communication au 2^e Congrès international de démographie historique consacré au peuplement du monde avant 1800 intitulée "Origin of modern humans : evidence from Y-chromosom specific polymorphic DNA probe", Paris, CNRS/INED/Société de démographie historique, in Bulletin d'information des Annales de démographie historique, n° 49, juin 1987, pp. 56-57 ; Gérard Lucotte, Introduction à l'anthropologie moléculaire – Ève était noire, Paris, Éditions Lavoisier, 1990.

[5] Luigi Luca Cavalli-Sforza, "Reconstruction of human evolution : Bringing together genetic, archaeological and linguistic data", in Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 65, August 1988, Evolution, pp. 6002-6006 ; "Des gènes, des peuples, des langues", in Pour la Science, n° 171, janvier 1992, pp. 26-33, suivi du commentaire de Laurent Excoffier, p. 33 ; S. A. Tischkoff et. al., “Global Patterns of Linkage Disequilibrium at the CD4 Locus and Modern Human Origins”, in Science, vol. 271, 8 march 1996, pp. 1380-1387 : “... This global patternof haplotype variation and linkage disequilibrium suggests a common and recent African origin for all non-African human populations.” ; Reich and Goldstein., Proceedings of the National Academy of Sciences, Evolution, Vol. 95, pp. pp. 8119-8123, september 1998 : "…our analysis, like many other genetic analyses, assigns a unique role to Africa in human evolution".

[6] Luigi Luca Cavalli-Sforza, Qui sommes-nous ?, Paris, Albin Michel Sciences, p. 57.

[7] James Watson, ADN - le secret de la vie, Paris, Odile Jacob, 2003.

[8] Véronique Barriel, “La génétique au service de la quête de nos origines”, in Y. Coppens, P. Picq (sous la direction de), Aux origines de l'humanité, Paris, Fayard, 2001, pp. 462-509.

[9] James Watson, ADN - le secret de la vie, Paris, Odile Jacob, 2003.