Par Jean de Pontcharra

La datation Potassium/Argon est-elle fiable?[¹]

Résumé: Trois articles parus dans les premiers numéros du Cep[2] ont bien montré les problèmes liés à la datation des fossiles et, plus généralement, à celle des ères géologiques. Le n°20 (août 2002) donna trois articles[3] sur les anomalies constatées dans la datation de roches éruptives provenant du Mont St-Helens aux États-Unis (1980). Des dates très anciennes (de 0,34 à 2,8 millions d’années) avaient été trouvées pour ces échantillons, pourtant contemporains. Nous allons proposer une explication simple remettant en cause les hypothèses qui sous-tendent la méthode Potassium/Argon (K/Ar). Sachant que cette méthode de datation est utilisée massivement dans la chronologie des fossiles d’hominidés depuis des décennies, ses failles jettent dès lors un doute sérieux sur sa validité comme “chronomètre” et remettent en cause toute la chronologie de la Préhistoire.

Introduction:

            Les méthodes de radiodatation sont utilisées massivement dans un large éventail d’applications, allant de la géochronologie à la paléontologie, de la climatologie à la santé publique. 

            Après une courte digression sur la méthode expérimentale et son éventuelle application à des événements passés, nous aborderons une des méthodes les plus populaires, la datation par potassium/argon (K/Ar). Nous verrons que les hypothèses de « système fermé » et de « remise à zéro de l’horloge» lors d’une éruption volcanique ne sont pas vérifiées.

                        En effet la géochimie dans les profondeurs de la terre, très mal connue, s’est avérée très complexe et les hypothèses simplificatrices fondant la méthode ne sont pas vérifiées dans la pratique.

La méthode expérimentale et son application aux événements passés:

            La méthode expérimentale peut aider à résoudre des questions qui se posent sur les phénomènes physiques observables. À l’aide d’instruments d’observation et d’appareils de mesure, le chercheur fera des expériences destinées à expliquer et modéliser des événements qu’il peut provoquer et observer. Les résultats, couplés aux connaissances antérieures et aux discussions  avec d’autres scientifiques, aideront à l’interprétation des données et à l’élaboration de théories explicatives des phénomènes observés. Les résultats doivent être confirmés par d’autres expérimentateurs ou laboratoires et s’avérer reproductibles. Les résultats ne sont pas des « faits » irréfutables comme il est souvent dit de façon erronée, mais sont l’objet d’interprétations qui peuvent être différentes voire même opposées selon les équipes et laboratoires. L’application de la méthode est autrement délicate lorsqu’il s’agit d’événements passés. En effet nous n’avons pas accès direct à ces événements et nous ignorons les conditions dans lesquelles ils se sont produits. Nous n’avons accès qu’aux conséquences ou traces qu’ils ont laissées, seules observables aujourd’hui. Mais ces traces peuvent aussi résulter d’événements distincts et successifs, chaque événement postérieur modifiant l’aspect laissé par l’événement précédent à des dates inconnues.

            Il ne reste plus au chercheur qu’à imaginer des hypothèses sur la succession, l’intensité et la date des événements passés. Des expériences actuelles peuvent l’aider à retrouver ou reproduire les traces qu’il voit aujourd’hui, mais sans aucune garantie que cela corresponde avec certitude à ce qui s’est réellement passé. Contrairement à la légende véhiculée par les scientifiques eux-mêmes, il n’y a pas de méthode « absolue » de mesure  du temps.

            Pour cette raison, la confrontation de différentes interprétations et l’échange d’arguments et de mesures expérimentales sont absolument nécessaires entre chercheurs, pour établir un scénario plausible des événements passés. Les expériences en faveur d’une hypothèse doivent être examinées, mais également les contre-expériences qui pourraient la contredire.

            Aucune certitude ne pourra être tirée d’une unique interprétation humaine; seul un faisceau de faits concordants pourra favoriser l’une ou l’autre hypothèse. L’histoire des sciences montre que des consensus paraissant solides se sont avérés erronés par la suite.

Aspect historique et théorique:

            La découverte de la radioactivité naturelle et artificielle ouvrit un large champ d’applications. Ainsi la datation par mesure de la radioactivité fut proposée dès le début du XX^e siècle. Mais l’ignorance des séries radioactives naturelles, de l’existence d’isotopes et le simplisme des modèles atomiques, la faible précision des comptages Geiger ou par spectrométrie de masse, donnèrent des résultats très dispersés et disparates. Rutherford, de 1904 à 1906, sur des échantillons d’une même roche, trouva 40 Ma (million d’années), puis 140 Ma, puis 500 Ma, en modifiant les hypothèses de départ. Nier en 1935 trouva 2570 Ma pour l’âge de la terre par la méthode Pb/Pb, alors que l’univers était « daté » de 1800 Ma par la « constante » de Hubble.

            Mais le pire, les méthodes de radio-datation furent calibrées en se basant sur l’échelle stratigraphique en usage chez les paléontologues. Les hypothèses de base et les données à l’origine furent choisies en conséquence. La propagande scientiste présenta ces résultats comme une confirmation scientifique et indépendante des chronologies basées sur la stratigraphie.

            Ces hypothèses simplistes sont :

1) Les conditions qui ont formé ou affecté l’échantillon dans le passé sont les mêmes que celles observables aujourd’hui.

2) Les phénomènes radioactifs ne sont pas affectés par les conditions externes : température, pression, champs électromagnétiques, plasmas, conditions hydrothermales, etc.

3) L’échantillon est un « système fermé », c’est-à-dire qu’il ne subit pas d’échange ni d’interaction (physique ou chimique) avec l’environnement tout au long de son histoire.

4) À l’origine, l’échantillon radioactif ne contenait pas d’élément(s) « fils », mais uniquement l’élément radioactif « père ».

La méthode Potassium/Argon:

            Cette méthode, comme les méthodes dérivées, est basée sur la mesure de la quantité d’argon 40 (Ar40) provenant de la décroissance radioactive du potassium 40 (K40) contenu dans les roches. Pour pouvoir être utilisée comme chronomètre, il est indispensable qu’il n’y ait pas encore d’argon au moment de la cristallisation de la roche à dater. C’est pour cette raison que la méthode n’est appliquée qu’aux roches éruptives, supposées avoir perdu tout leur argon lors de l’éruption. Si cette condition est réalisée (nous discuterons plus loin de sa validité), il est possible de calculer un « âge » en fonction des quantités de potassium et d’argon présentes dans le cristal et de la période de décroissance radioactive du potassium (fig. 1).

  Fig. 1

           
La méthode est dite cumulative, c’est-à-dire que le taux d’argon varie de zéro (échantillon contemporain) à une quantité donnée en fonction du temps écoulé. L’âge minimal dépend de la quantité minimale d’argon et de potassium qui peut être mesurée actuellement avec nos appareils.

            Pour une roche pauvre en potassium on ne pourra pas descendre en dessous de 0,2 Ma (millions d’années). Pour une roche très riche en potassium on pourra descendre à environ 0,01 Ma.

            La condition de « système fermé » s’avère essentielle, car une perte d’argon ou un gain en potassium rajeunira l’échantillon, et une perte en potassium ou un gain en argon le vieillira (fig.2). Mais, paradoxalement, nous verrons par la suite que les roches qui gardent bien l’argon, comme l’olivine, donnent les dates les plus fausses, car elles contiennent aussi de l’argon qui n’a pas dégazé lors de l’éruption (les spécialistes l’appellent « argon en excès »).

Fig. 2

L’argon en excès:

            Comment les physiciens se sont-ils aperçus du problème posé par dégazage incomplet des roches lors des éruptions ? Tout simplement en mesurant l’argon dans des roches issues de laves récentes ou contemporaines, dans un but de calibration de la méthode K/Ar. Ils pensaient mesurer zéro argon.

            Or les quantités d’argon en excès varient d’une éruption à l’autre, d’une roche à l’autre et d’un cristal à l’autre dans une même roche. Un nombre considérable de publications, ces dernières années, signalent des dates aberrantes pour des roches éruptives actuelles ou simplement bien datées historiquement [1] [2].

Fig. 3

           
En réalité, ni les roches cristallisées ni les réservoirs de magma d’où elles sont issues ne sont des systèmes fermés. Observons les résultats des mesures obtenues sur la dacite contemporaine collectée en 1986 sur le dôme d’extrusion du Mont St-Helens (État de Washington, É-U) durant les éruptions de 1980-1985. La datation de la roche totale donne 0,35 Ma. La datation sur des cristaux séparés de la roche varie de 0,34 Ma pour le feldspath à 2,8 Ma pour le pyroxène.

            Des résultats comparables sont obtenus pour des coulées d’andésite du Mont Ngauruhoe (Nouvelle Zélande), qui se sont produites en 1954. Le tableau fig. 4 présente les résultats sur différents échantillons qui donnent des âges entre 0,27 et 3

           
Il n’y qu’une explication à ces résultats erronés: l’argon 40 mesuré dans ces échantillons ne provient pas de la décroissance radioactive du potassium 40. Il y a de l’argon 40 déjà présent dans les roches et qui s’y trouve piégé au moment de leur cristallisation dans le réservoir de magma profond. La géochimie qui se produit dans les réservoirs de magma de la croûte et/ou du manteau terrestre est d’une grande complexité. La température et la pression variant avec la profondeur, les conditions hydrothermales qui régissent l’état du magma et sa composition varient dans une large gamme. En particulier, les gaz dissous dans le magma liquide peuvent être piégés dans la maille cristalline lors de la cristallisation fractionnée de certaines roches.

            L’argon total mesuré après l’éruption additionne alors quatre contributions :

Ar(total) = Ar(primordial) + Ar(radiogénique dans le magma) + Ar(radiogénique après éruption) + Ar (venant  de l’atmosphère après éruption).

            Seul le 3^e terme est lié au temps écoulé depuis l’éruption. La présence des 3 autres contributions fausse totalement la datation.

            Le 4^e terme pourrait être soustrait par mesure du rapport isotopique Ar40/Ar36, mais les deux premiers termes ne peuvent absolument pas être corrigés. L’hypothèse du complet dégazage de l’argon lors de l’éruption n’est pas vérifiée, ce qui invalide radicalement la méthode.

Physico-chimie des magmas:

                        Pour creuser un peu la question, penchons-nous sur les possibles phénomènes se produisant en profondeur. Notre connaissance de la composition de la terre est très limitée, les forages les plus profonds s’arrêtant à 12 km. Les chercheurs se contentent de méthodes indirectes: propagation d’ondes sismiques,  ou analyse des roches remontant à la surface. La méthode expérimentale rencontre les mêmes limitations que pour les événements passés : elle n’a qu’un accès indirect à l’objet de son étude, inaccessible géographiquement. Les hypothèses et les modèles sont légion, ils sont simplistes dans leurs hypothèses de départ, très compliqués dans leur formulation et fourmillent de contradictions et de paradoxes. Bibliographie dans [3]. 

            L’examen des roches éruptives dans le monde entier montre une extrême variation dans la composition des réservoirs de magma et la notion de système fermé en devient inacceptable [4] [5].

            La fig. 5, schématise un possible scénario des phénomènes se produisant sous la surface terrestre.

            La composition des magmas dépend des conditions hydrothermales aux profondeurs considérées : pression, température, quantité d’eau présente et forme de cette eau, composition des roches formant les parois du réservoir, vitesse de déplacement ascendant, effet de la pesanteur, flux de convection thermique, alimentation par d’autres réservoirs situés à d’autres profondeurs, etc.

Fig. 5

                      
  Une quantité considérable d’éléments peut être incorporée dans le magma liquide, par fusion des roches adjacentes (roches plutoniques, métamorphiques ou même sédimentaires). En particulier, de l’argon primordial et de l’argon radiogénique provient du potassium contenu dans ces roches (fig. 6).

            Cet argon peut être dissous dans le magma liquide, mais aussi piégé dans des cristaux qui se forment par cristallisation fractionnée. Des expériences de laboratoire avec des enclumes à diamant à très haute pression et température (jusqu’à 200 GPa et 4000°K) ont montré la solidification des silicates et l’incorporation d’argon dans la maille cristalline et/ou dans les défauts cristallins [6]. L’état supercritique de l’eau et de l’oxyde de carbone dans les magmas modifie les solubilités des gaz nobles et leur incorporation dans les cristaux.

Fig. 6

     
       Ces cristaux présents dans le magma en fusion ne se dissolvent pas lors de l’éruption, et l’argon piégé dans la maille cristalline n’est pas dégazé comme le serait l’argon dissous dans le magma liquide, par détente lors de la remontée vers la surface.  Cela peut être illustré par un sablier qui ne serait pas remis à zéro (fig. 7). En effet, l’horloge radioactive K/Ar n’est pas remise à zéro. L’échantillon sera vieilli selon la quantité d’argon piégé.  C’est l’explication des âges anciens trouvés pour les roches éruptives contemporaines. La quantité d’argon présente étant très variable d’un lieu à l’autre, d’une éruption à l’autre, les âges déterminés par la méthode sont erratiques. On rend compte ainsi des différences d’âge trouvées sur les cristaux différents d’une même roche, qui piègent plus ou moins  d’argon selon  leur structure cristalline.

À gauche, le modèle théorique; à droite, la réalité. K₀ et Ar₀  sont les quantités de potassium et d’argon au moment de la cristallisation. K_t et Ar_t, au moment de la mesure au temps t.

Application en paléontologie:

            Il est évident que ce problème d’argon en excès, dont la quantité n’est même pas évaluable, remet en question les datations de fossiles publiées depuis les débuts d’utilisation de la méthode. Les laboratoires balayent l’objection en prétendant que leurs mesures sont cohérentes avec l’échelle stratigraphique. Mais cette échelle est elle-même remise en question par les travaux de sédimentation en eau courante lancés par G. Berthault [7], [8]. Il y a donc ici un problème de fond qui ne pourra être résolu que par une collaboration entre différentes équipes de recherche, faisant table rase des préjugés de la science officielle et remettant au goût du jour la discussion et la confrontation de différentes hypothèses.

Recherche future:

            Les fossiles polystrates sont un sujet de recherche fascinant qui pourrait être mis à profit pour répondre à quelques interrogations.

            Considérons la fig. 8 ci-après qui nous montre un tronc fossile vertical incrusté dans les strates horizontales d’un site sédimentaire. Pour l’échelle stratigraphique officielle, ces fossiles polystrates posent un problème insoluble, car le bas du fossile aurait plusieurs millions d’années de plus que le haut. La datation du tronc à différentes profondeurs, couplée à la datation dans les strates adjacentes par toutes les méthodes applicables à ce cas d’espèce (en particulier le carbone 14) pourrait donner des résultats surprenants, confirmant les chronologies courtes. Et pourrait conforter les résultats obtenus par des équipes américaines sur des os de dinosaures supposés éteints il y a des dizaines de millions d’années, mais qui ont donné, par le carbone 14, des âges de quelques dizaines de milliers d’années.

Conclusion:

            Il est démontré que les postulats fondateurs des méthodes de datation par radioactivité ne sont pas vérifiés en pratique. Les chercheurs feignent de considérer qu’il ne s’agit que d’exceptions. Comme les âges souhaités doivent concorder avec l’échelle stratigraphique, s’ils sont trouvés plus jeunes on prétendra que la roche a été lessivée et a perdu son argon; s’ils sont trop vieux, alors et alors seulement on admettra qu’il y avait un excès d’argon au moment de la cristallisation. Mais l’excès d’argon est tellement variable, que l’on trouve toujours une date qui « colle » avec la date stratigraphique. Les autres dates seront passées sous silence.

            Les résultats de sédimentation de G. Berthault ne peuvent plus être ignorés et suscitent un intérêt croissant, en particulier en Russie. Ils vont dans le sens d’une chronologie courte pour l’histoire de la Terre.

            Dans le cas du K/Ar, la présence d’argon en excès invalide tous les âges obtenus avec la méthode. Pour les autres méthodes par radio-éléments, l’hypothèse de système demeurant « fermé » durant des centaines de millions d’années (en supposant que ces durées immenses aient une réalité…), ne tient pas la critique. De plus, les travaux très récents de physiciens nucléaires [9] [10] montrent que le taux de décroissance radioactive n’est pas constant dans un environnement métallique (le noyau de la terre est supposé ferrique).

            Cette découverte fondamentale est peu ébruitée dans les milieux scientifiques car elle aurait des conséquences dramatiques pour la datation (alors qu’elle pourrait être très bénéfique pour le traitement des déchets nucléaires).

            Les expériences proposées ci-après sont de nature à résoudre beaucoup de questions en suspens. Il est souhaitable qu’elles puissent être menées à bien et qu’elles obtiennent un financement.

Bibliographie:

[1] G.B. Dalrymple, 40Ar/36Ar Analysis of Historic Lava flows

Earth and Planetary Science letters, 1969, vol. 6, pp. 47-55.

[2] G.B. Dalrymple, J. G. Moore, Argon-40: Excess in Submarine Pillow Basalts from Kilauea Volcano, Hawaï, Science 13 septembre 1968, vol. 161, n° 3846, pp. 1132 -1135.

[3] F.J. Spera, W.A. Bohrson, Energy-Constrained Open-System Magmatic Processes I: General Model and Energy-Constrained Assimilation and Fractional Crystallization (EC-AFC) Formulation

Journal of Petrology, vol. 42, n° 5, pp. 999-1018 & 2001.

[4] J. E. Gardner, S. Carey, H.  Sigurdsson and M. J. Rutherford, Influence of magma composition on the eruptive activity of Mount St-Helens, Washington

Geology,1995; 23: 523-526.

[5] D.L. Anderson, A model to explain the various paradoxes associated with mantle noble gas geochemistry, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 95,  août 1998, pp. 9087-9092.

[6] R. Boehler, High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantel and core materials, Reviews of Geophysics, 38, 2 mai 2000, pp. 241-245.

[7] G. Berthault, Analysis of the Main Principles of Stratigraphy on the Basis of Experimental Data, J. of Russian Academy of Science “Lithology and Mineral Resources”, vol.37, n°5, 2002, pp. 442 – 446.

[8] G. Berthault, A. Lalomov, Determination of Actual Time of Sedimentation of Cambrian-Ordovician Sandstones of North-West Russian Platform, General Assembly of European Geoscience Union, Vienne, 16 avril 2007, session SSP-1.

 [9] C. Rolfs, Electron screening in metallic environments: a plasma of the poor man, Publication della Societa Astronomica Italiana, vol.77,  2006, p. 907.

[10] F. Raiola et al., Electron screening in d(d, p)t for deuterated metals and the periodic table, vol. 547, Issues 3-4, 7 nov 2002, pp. 193-199.

[1] Version remaniée et abrégée en français de l’exposé “Are Radioactive-dating methods reliable ?” Université La Sapienza, Rome, Italie, 3 novembre 2008. Les textes des figures sont en anglais.

[2] Le Cep n° 1 nov 1997, n°2 fév 1998 et n°3 mai 1998, sous la plume de Marie-Claire van Oosterwyck.

[3] Articles de G. Berthault, de K. Scripko et d’ E. Kolesnikov.