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Définition proposée par Sabrina SAVE (Amélie Etudes environnementales & Archéologiques) 


L'usage des définitions se fait dans le respect des droits d'auteur et du support de publication (Archeologia.be)


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LA DATATION PAR LE RADIOCARBONE (C14)

Définition

La datation par le radiocarbone est aujourd'hui la méthode de datation absolue la plus couramment utilisée en archéologie et son principe est désormais bien connu de tous. C'est pour cette raison que nous ne ferons ici qu'un bref rappel.

Cette méthode repose donc sur le cycle de vie d'un des isotopes du carbone: le carbone 14 dit radiocarbone. Cet isotope naît dans la haute atmosphère par l'interaction des rayons cosmiques sur l'azote 14. Le carbone 14 se transforme en gaz carbonique CO2 et que tous les êtres vivants, végétaux et animaux, respirent. Il est absorbé par les matières vivantes et stocké tout au long de la vie de l'individu. Lorsque la mort survient, le carbone 14 va progressivement disparaitre selon un schéma bien précis et désormais maitrisé. C'est grâce à ce schéma que l'on peut aujourd'hui remonter le fil et déterminer en quelle année l'être vivant est mort, a cessé d'absorber du carbone 14 et donc de respirer.

Bref historique

C'est Willard Frank Libby, un physicien et chimiste américain, qui a la primauté de la découverte qu'il publie en 1946. De 1950 à 1965, la chronologie établie à cette époque est totalement chamboulée et l'on parle de "révolution du carbone 14". Quelques distorsions ont rapidement été découvertes en raison des fluctuations des taux de carbone 14 dans l'atmosphère mais ces écarts sont aujourd'hui pour la plupart corrigés (à l'exception des datations antérieures à 20 000 ans, mais les résultats restent néanmoins fiables jusqu'à 30 à 40 000 ans).

Le matériel d'étude

La magie de la datation par le radiocarbone réside dans le fait qu'elle s'applique à un panel très varié de matériaux:

  • toute matière organique carbonisé (charbons de bois, graines etc)

  • ossement, carbonisé ou non

  • matière organique et tourbe

  • excrément, coprolithe

  • coquillage, corail, insecte

  • cheveux, dent

  • phytolithe, pollen, foraminifère

  • otolithe (concrétion de l'oreille interne des poissons)

  • eau

  • ... (voir http://www.c14dating.com/int.html pour la liste complète)

Les quantités nécessaires à la réalisation d'une datation par le radiocarbone varie selon les matériaux et le type de méthodologie employée, à savoir datation radiométrique et datation par AMS (voir "déroulement de l'étude - la datation"). Voici néanmoins les minima habituellement conseillés, à noter qu'il est parfois possible de dater avec des quantités moindres mais cela peut avoir des conséquences sur la précision du résultat:


Matériau

Datation par AMS

Datation radiométrique

Charbons

50 mg

20 g

Excréments

Insectes

20 mg

20 g

Plantes / Graines

Tourbe

1-2 mg

100 g

Matière organique

2-5 g

< 1000 g

Coquillages

50 mg

50 g

Corail

Bois

Cheveux

20 mg

10 g

Otolithe (poisson)

5-10 mg

-

Ossement / Bois de cervidé

2-10 g

-

Dent

1 dent

-

Ossement brûlé

4 g

-

Phytolithes

200 mg

-

Pollen

20 mg

-

Foraminifères

20 mg

-

Eau

1 litre

-

Méthodologie et déroulement d'une étude

Elaboration d'une problématique

La datation par le radiocarbone peut intervenir généralement dans deux cas de figure: soit elle vient étayer les hypothèses archéologiques basées sur la culture matérielle ou d'autres types de datation absolue, soit elle vient ancrer dans le temps la chronologie relative construite à partir de la stratigraphie.

Dans le premier cas, la datation par le radiocarbone n'est pas indispensable mais elle est un support, une preuve, un confort apporté à l'archéologue pour asseoir son discours, pour lui donner plus de "corps". Ici la datation devra porter sur des éléments clés de l'histoire du site.

Dans le second cas, la datation par le radiocarbone est une nécessité, la fouille n'ayant pas livré d'éléments assez concrets pour assurer la compréhension de l'enchainement des évènements dans le temps et dans l'espace. Elle va permettre de recadrer les découvertes et de mieux appréhender l'organisation et l'évolution du site. Dans ce cas, le choix des éléments à dater est crucial et requiert le plus souvent l'avis d'un spécialiste ou d'une personne qualifiée afin de "quadriller" l'espace et le temps.

Sur le terrain

Nous l'avons vu, la stratégie de prélèvement dépendra fortement du but recherché. Si la datation intervient en tant que support, elle devra concerner des éléments ou des évènements marquants et il ne sera pas forcément nécessaire de multiplier les analyses. Si la chronologie du site repose entièrement sur la datation par le radiocarbone, il faudra prévoir un nombre de prélèvements plus important et choisir leur emplacement avec justesse. La totalité de l'espace devra en général être couvert et les zones les plus complexes devront faire l'objet d'une attention particulière - je pense notamment aux nécropoles à inhumation lorsque de nombreuses tombes sans mobilier se recoupent.

Pour ce qui est de la réalisation du prélèvement en lui-même, nul besoin d'un spécialiste, l'archéologue pourra le réaliser seul. Bien évidemment le prélèvement devra être effectué avec des outils propres et placé dans un contenant propre et de préférence hermétique, sac ou boite selon la fragilité du matériel. On s'assurera de prélever dans une zone ne montrant pas de signes de bioturbation, que ce soit de type terrier ou activités racinaires, afin d'éliminer un maximum de possibilités de contamination.

On a souvent parlé des problèmes de contamination concernant les charbons et les cendres de cigarette. Même si cette probabilité est faible, elle demeure néanmoins, surtout si vous prélevez de très faibles quantités de matériel. Evitez donc de jeter vos cendres sur les couches archéologiques, et de manière générale arrêtez de fumer! Ces dernières années, plusieurs phénomènes de distorsion des résultats, certainement en raison de la pollution des sols, ont fait leur apparition. Ces risques restent difficiles à prévoir et sont encore mal compris mais ils sont très faibles.

En laboratoire ou sur la base de fouille

Les prélèvements seront ensuite soit stockés dans un endroit sec et à l'abri de la lumière, soit traités pour pouvoir être étudiés. Les matériaux peuvent sans problème être lavés, cela n'a aucune incidence sur les datations. S'ils sont pris dans un sédiment très argileux, vous pouvez utiliser un défloculant sans risque. Les seuls produits à prescrire sont tous ceux à base de dérivés du pétrole.

Selon le matériel à dater, différentes procédures d'extraction du carbone sont possibles. A partir de cette étape, tout se passe en laboratoire et ne peut en aucun cas être réalisé par un non spécialiste. Les composants secondaire du matériel doivent être dans un premier temps détruit. Des étapes supplémentaires sont à prévoir pour certains types de matériau comme l'extraction du collagène pour les ossements par exemple.

La datation

Ensuite intervient le processus de datation en lui-même. Il existe aujourd'hui deux méthodes de datation: la datation radiométrique et la datation par AMS. La mesure par le comptage de radioactivité, dite datation radiométrique, est le moyen le plus courant. Cette méthode repose sur le comptage des électrons libérés lors de la désintégration des atomes de carbone 14. Ces comptages peuvent durer un à deux jours, voire plus, et donnent une précision d'analyse de 0,5 à 1%, soit pour les 5 derniers millénaires ± 40 ans, jusqu'à ± 100 ans autour de -10000 ans.

À l'inverse la méthode AMS mesure directement les atomes de radiocarbone en utilisant leur masse atomique grâce à un accélérateur de particules. Elle permet de mesurer des échantillons de plus petite taille. La durée de la mesure pour une même précision est également édifiante: une heure par la méthode AMS! On pourrait croire que la méthode AMS offre de nombreux avantages, néanmoins ces deux techniques se partagent aujourd'hui à égalité l'ensemble des datations effectuées dans le monde et ce pour deux raisons:

  • une raison économique: le prix d'achat et d'entretien des accélérateurs de particules étant beaucoup plus élevé que celui des compteurs, le prix des datations par AMS est plus important.

  • une raison pratique: les accélérateurs n'utilisant qu'une très petite quantité de matière, celle-ci doit être d'une parfaite homogénéité et n'avoir aucune trace de pollution. En effet les influences de très petites radicelles ou de résidus de matières humiques sont beaucoup plus grandes sur un échantillon de quelques milligrammes que sur un morceau de charbon de plusieurs grammes. De plus le risque d'intrusion d'un petit charbon dans une couche archéologique est plus élevé que les chances pour un gros charbon d'avoir été déplacé.

Les deux techniques sont donc complémentaires et ce sont les ressources et les besoins de l'archéologue qui dicteront le choix de la méthode.

Guide de lecture

Grâce à ces différentes mesures, le spécialiste va pouvoir déterminer l'âge radiocarbone de l'échantillon. Il devra ensuite reporter cet âge sur la courbe de calibration qui rectifiera le résultat. Celui-ci s'exprimera en années B.P. qui signifie Before Present. Attention le Present se situe en 1950 et non à l'année en cours! Pour le moment l'incidence est moindre mais plus le temps passe et plus l'écart se creuse...

Le résultat exprimé est également accompagné d'une marge d'erreur toujours indiquée par le sigle ±. Cette marge correspond en fait à une probabilité, dite à 2 sigmas, qui situe le résultat dans une fourchette chronologique avec 95% de chance que l'âge réel du matériel s'y trouve. Il faut avoir bien conscience que l'âge B.P. qui vous est donné n'est pas une certitude à l'année près. Par exemple: 1260 ± 40 B.P. signifie que l'âge réel a 95% de chance d'être compris entre 1300 et 1220 B.P. (1260+40=1300 et 1260-40=1220), soit entre 650 et 730 après J.-C. (1950-1300=650 et 1950-1220=730). Sur les courbes graphiques et différents tableaux figurant les résultats, il est souvent question d'une seconde marge d'erreur, dite à 1 sigma, qui vous fournit un deuxième outil de lecture plus précis, puisqu'elle correspond à une probabilité de 68%. Cette nouvelle fourchette chronologique perturbe souvent les archéologues. Il faut avant tout la concevoir comme une sorte de "botte secrète" dont vous pouvez vous servir en association avec d'autres éléments de datation, et notamment ceux de la culture matérielle (surtout lorsque vous avez un TPQ ou TAQ). Elle peut vous aider à resserrer le cadre chronologique si vous disposez de d'autres éléments mais ne doit pas être considérée comme le véritable résultat. 68%, cela peut paraître beaucoup à priori, mais pour un statisticien, ce n'est pas terrible!

Voyons un exemple:

Numéro de Laboratoire Beta: 267070

Type d'analyse : AMS

Pré-traitement: extraction du carbone pur, traitement alcalin

(Variables: C13/C12=-25.3:lab. mult=1)

Âge radiocarbone conventionnel: 2680±40 BP

Résultat calibré 2 Sigma: (95% probabilité) Cal 910 à 790 avant J.-C. (Cal 2860 à 2740

BP)

Interception des données

Interception de l'âge radiocarbone avec la courbe de calibration: Cal 820 avant J.C. (Cal 2770 BP)

Résultat calibré 1 Sigma:(68% probabilité) Cal 840 à 800 avant J.-C. (Cal 2790 à 2750 BP)


Voici donc typiquement le genre de présentation que l'on obtient des laboratoires lorsque l'on commande une date, les légendes en moins bien évidemment. Je n'ai ici légendé que la lecture du résultat à 2 sigmas mais le principe est le même pour le résultat à 1 sigma, j'y reviendrai plus tard.

La courbe se lit de la gauche vers le bas: on entre l'âge radiocarbone non calibré à gauche, on projette à angle droit le résultat sur la courbe de calibration et on lit l'âge probable du matériau sur la ligne du bas. Ici l'âge radiocarbone non calibré est de 2680 B.P. qui correspond à l'année calendale 820 avant J.-C.

A cette information s'ajoute les fameuses fourchettes chronologiques qui constituent la marge d'erreur. On commence par la fourchette à 2 sigmas qui correspond à 95% de probabilité. La précision de cette date est de ± 40 ans (notée dans le coin supérieur gauche). On représente donc sur le graphique cette fourchette à l'aide des rectangles verticaux et horizontaux blancs cernés de gris. Le sens de lecture est indiqué par les flèches bleu clair. A gauche on observe la fourchette chronologique non calibrée 2760-2600 B.P. qui correspond à l'âge calibrée 910-790 avant J.-C.

Le principe est le même pour le résultat à 1 sigma (68% de probabilité). Celui-ci est représenté sur le graphique par les rectangles horizontaux et verticaux en gris plein. A gauche on observe la fourchette chronologique non calibrée 2790-2750 B.P. qui correspond à l'âge calibrée 840-800 avant J.-C. Je rappelle que l'on utilisera ce dernier résultat qu'en complément de d'autres informations datantes.

Et après?

Le but ultime est la confrontation des données. La datation du matériau ne doit pas se borner à une date comme c'est encore trop souvent le cas. Elle doit être mise au profit de la compréhension du site dans son ensemble. Les résultats doivent d'abord être comparés entre eux puis confrontés aux données archéologiques et autres études. Des révélations étonnantes peuvent être faites de cette manière.

La publication d'une date seule, sauf dans des cas exceptionnels, n'a souvent rien de bien intéressant, d'autant plus que la plupart des laboratoires qui les réalisent s'en charge déjà en publiant chaque année toutes les dates réalisées. La publication des résultats devient néanmoins nécessaire lorsque celle-ci contribue de manière significative à la compréhension du site archéologique.

Où faire étudier les prélèvements?

Principales institutions et laboratoires:

NOM

INSTITUTION

ADRESSE

Amélie SARL

société privée

Amélie, études environnementales & archéologiques

2, grande rue

57630 MARSAL

FRANCE

http://www.ameliefrance.com

(réalise les dates en sous-traitance et fournit une critique des résultats, des outils de lecture et une confrontation des données)

Centre de Datation par le RadioCarbone

laboratoire CNRS

Centre de Datation par le RadioCarbone
Université Claude Bernard Lyon 1
40, Boulevard Niels Bohr
F-69622 VILLEURBANNE Cedex

FRANCE

http://carbon14.univ-lyon1.fr

Archéolabs

société privée

Le Châtelard

38840 SAINT-BONNET-DE-CHAVAGNE

FRANCE

http://www.archeolabs.com/

CIRAM

société privée

CIRAM

ENSCPB - Chem'Innov
16 avenue Pey Berland
33607 PESSAC cedex

FRANCE

http://www.ciram-art.com/

Beta Analytic Ltd

société privée

Beta Analytic
4985 SW 74th Court
Miami, Florida 33155
USA

http://www.radiocarbon.com

Oxford Radiocarbon Accelerateur Unit

laboratoire universitaire

Oxford Radiocarbon Accelerateur Unit

Research Laboratory for Archaeology
Dyson Perrins Building
South Parks Road
Oxford OX1 3QY
U.K.

http://c14.arch.ox.ac.uk

University of Zurich

laboratoire universitaire

University of Zurich

Department of geography

14C Laboratory

Winterthurerstrasse 190

8057 Zurich

SWITZERLAND

http://www.geo.uzh.ch/en/

Poznan Radiocarbon Laboratory

société privée

Poznan Radiocarbon Laboratory
ul. Rubież 46

61-612 Poznan

POLAND

http://www.radiocarbon.pl/

Radiocarbon Dating Laboratory
University of Waikato

laboratoire universitaire

Radiocarbon Dating Laboratory
University of Waikato
Gate 9
Hillcrest Road
Hamilton, 3240
NEW ZEALAND

http://www.radiocarbondating.com/

Center for Isotope Research

laboratoire universitaire

Center for Isotope Research

University of Groningen

Nijenborgh 4,

9747 AG, Groningen

NEDERLAND

http://www.rug.nl/ees/onderzoek/cio/index?lang=en

Références essentielles

Ouvrages et articles

INTCAL98: Calibration Issue. Radiocarbon: An International Journal of Cosmogenic Isotope Research. Volume 40, Numéro 3, 1998.

INTCAL04 : Calibration Issue. Radiocarbon: An International Journal of Cosmogenic Isotope Research. Volume 46, Numéro 3, 2004.

Evin J. et Oberlin Chr. 1998, "La méthode de datation par le radiocarbone" in La datation en laboratoire, éditions Errance, collection "Archéologiques"

Langouët L. et Giot P.R. 1992, La datation du passé: la mesure du Temps en Archéologie, supplément à la Revue d'Archéométrie

Talma A.S. et Vogel J.C., A simplified approach to calibrating 14C dates. Radiocarbon: An International Journal of Cosmogenic Isotope Research. Volume 40, Numéro 2, p. 317-322, 1998.

Tuniz C., Bird J.R., Fink D. et Herzog G.F. Accelerator Mass Spectrometry: Ultrasensitive analysis for global science. CRC Press, 1998.

Revues

The Radiocarbon Journal: revue trimestrielle publiée par l'Université de l'Arizona. Site internet: http://www.radiocarbon.org/

ArchéoSciences, Revue d'Archéométrie: revue annuelle éditée par le Groupe des Méthodes Pluridisciplinaires Contribuant à l'Archéologie (G.M.P.C.A.). Site internet: http://archeosciences.revues.org/

Site internet

Logiciel de calibration OxCal (accès libre): http://c14.arch.ox.ac.uk/embed.php?File=oxcal.html

Radiocarbon Web-info par l'Université de Waikato, New Zealand: http://www.c14dating.com/

Amélie, études environnementales & archéologiques: http://www.ameliefrance.com

Définition proposée par le Laboratoire CIRAM - 2ème Définition

L'usage des définitions se fait dans le respect des droits d'auteur et du support de publication (Archeologia.be)
La datation au carbone 14

La datation au carbone 14 est basée sur la mesure de l'activité radiologique du carbone14 contenu dans toute matière organique. Elle permet de déterminer l'intervalle de temps écoulé depuis la mort de l'organisme à dater (l'abattage de l'arbre par exemple).

Historique

Vers la fin des années 1940, des travaux réalisés aux États- Unis testèrent les potentialités d'utiliser les propriétés de la radioactivité naturelle du carbone 14 dans le cadre de la datation des matières organiques [1]. Puis, dans les années 1950, Willard Frank Libby a commencé à faire des expériences sur des échantillons égyptiens, qui furent couronnés de succès et lui valurent, en 1960, le prix Nobel de chimie pour le développement de cette méthode [2-3]. Depuis, avec l'évolution des techniques de mesure et l'accroissement de leur précision, il s'est avéré que le principe initial devait être ajusté, ce qui a conduit à l'élaboration d'une « calibration » des résultats, basée, en particulier, sur la comparaison avec des données obtenues par d'autres méthodes de datation (la dendrochronologie, par exemple) [4].

Principe de la méthode

Le carbone 14 (C14) ou radiocarbone est un isotope radioactif du carbone dont la période radioactive (ou  demi-vie) est égale à 5730 ans.

Un organisme vivant assimile le carbone sans distinction isotopique, la proportion de C14 par rapport au carbone  total (C12, C13 et C14) étant la même que celle existant dans l'atmosphère du moment. La datation par carbone 14 se fonde ainsi sur la présence, dans tout organisme vivant, de radiocarbone en infime  proportion (de l'ordre de 10-12 pour le rapport C14/C total). A partir de l'instant où meurt un organisme, les  échanges avec l'extérieur cessant, la quantité de radiocarbone qu'il contient décroît au cours du temps selon une  loi exponentielle connue (désintégration naturelle des atomes de carbone 14).

Un échantillon de matière organique issu de cet organisme peut donc être daté en mesurant le rapport C14/C total




Evaluation de l'ancienneté

Dater un échantillon de matière organique consiste à mesurer le rapport C14/C total et à en déduire son âge.

Le rapport C14/C total est mesuré soit indirectement par la mesure de l'activité spécifique due au radiocarbone naturel qui est proportionnelle au rapport C14/C total, soit directement par spectrométrie de masse.

Aujourd'hui, la mesure directe du rapport C14/C total par la seconde méthode est privilégiée car elle permet de dater des échantillons beaucoup plus petits (moins d'un milligramme contre plusieurs grammes de carbone auparavant) et en un minimum de temps (en moins d'une heure contre plusieurs jours ou semaines). En pratique, le carbone extrait de l'échantillon est d'abord transformé en graphite, puis en ions qui sont accélérés par la tension générée par un spectromètre de masse couplé à un accélérateur de particules. Les différents isotopes du carbone sont alors séparés ce qui permet de compter les ions de carbone 14.

Signalons que les échantillons vieux de plus de 50 000 ans ne peuvent être datés au carbone 14 car le rapport C14/C total est alors trop faible pour être mesuré par les techniques actuelles.

Age conventionnel et âge calibré

L'âge carbone 14 conventionnel d'un échantillon de matière organique, exprimé en années « before present »  (BP), est calculé en considérant les deux éléments suivants :
-la période de désintégration du carbone 14 a été mesurée vers 1950 par Libby à 5568 ans ; or, depuis, des  expériences plus précises ont été réalisées et donnent une période de 5730 ans ;
-la date de référence à partir de laquelle est mesuré le temps écoulé depuis la mort de l'organisme a été fixée à  1950 par Libby.
 
Par ailleurs, dès le début des années 1960, certaines divergences systématiques ont été observées, sur les  mêmes échantillons, entre l'âge issu de la datation au carbone 14 et celui estimé par l'archéologie ou la  dendrochronologie.

En effet, il s'avère que suite aux variations du champ magnétique terrestre, le taux de production du radiocarbone  naturel a varié au cours du temps. Les changements climatiques ainsi que le rejet massif de carbone fossile dans l'atmosphère par l'industrie et les transports ont également modifié la teneur totale de carbone, donc de carbone  14. De plus, durant les années 1950 et 1960, les essais nucléaires ont presque doublé la quantité de  radiocarbone dans l'atmosphère.

Par conséquent, les conventions choisies par Libby n'étant pas satisfaisantes, et la quantité globale de carbone 14 total dans la biosphère n'étant pas constante dans le temps, il est devenu nécessaire de construire des courbes  de calibration en confrontant les datations obtenues par carbone 14 et celles données par d'autres méthodes  telles que la dendrochronologie.

Ainsi, on transforme via ces courbes, l'âge BP en âge calibré ou calendaire exprimé sous forme d'intervalles  chronologiques associés à un pourcentage de probabilité [5-6].

Bibliographie

[1] G. Marlowe, 1999, « Year one : radiocarbon dating and american archaeology, 1947-1948 », American Antiquity,
LXIV/1, p. 9-32.

[2] W.F. Libby, 1955, Radiocarbon dating. 2nd ed, The University of Chicago Press, Chicago.

[3] G. Marlowe, 1980, « W.F Libby and the archaeologists, 1946-1948 », Radiocarbon, XXII/3, p. 1005-1014.

[4] R.E. Taylor, 1987, Radiocarbon dating : an archaeological perspective, Academic Press, Londres, chap. 6.

[5] M. Stuiver et al., 1998, « CALIB rev 4.3 (Data set 2) », Radiocarbon, vol. 40, p. 1041-1083.

[6] A.J.T. Jull, 2003, Radiocarbon, vol. 46, 18th conference; Wellington.

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