Datation radiocarbone de coquillages, corail, CaCO₃

Les laboratoires de datation radiocarbone par spectrométrie de masse par accélérateur (AMS) reçoivent souvent des coquilles à analyser. Une grande proportion est constituée de coquillages de mollusques.

Les coquilles ne sont pas faciles à dater, car plusieurs facteurs induisent des incertitudes sur les résultats. Le physicien et chimiste américain Willard Libby, pionnier des techniques de datation, a prédit qu’elles seraient les matières les moins efficaces pour la datation.

Elles peuvent être d’origine marine, estuarienne, fluviale, etc. Les analystes des laboratoires AMS ont besoin de connaître le type afin d’établir la liste des contaminants possibles et déterminer les méthodes adéquates pour les éliminer.

Les coquilles fixent le carbone de l’atmosphère lors de la constitution de l’enveloppe. D’après les études scientifiques sur le sujet, les mollusques et les crustacés capturent le carbone d’origine organique à partir des plantes marines et terrestres, et le carbone inorganique à partir du bicarbonate contenu dans l’océan et l’eau douce ainsi que le dioxyde de carbone atmosphérique.

Les coquilles sont formées par le dépôt de cristaux de carbonate de calcium à une matrice organique formée d’une protéine appelée conchyoline. Elle ne représente qu’une infime partie de l’enveloppe, d’où l’intérêt de se concentrer sur la partie inorganique pour la datation au radiocarbone.

Même s’il est inorganique, le carbonate peut être daté car il se forme en incorporant le carbone 14 de la biosphère. Le carbonate présent dans les coquilles est généralement sous forme d’aragonite, bien qu’on trouve parfois des mélanges d’aragonite et de calcite, ou encore, comme dans le cas des huîtres, des structures majoritairement à base de calcite.

Le fait d’utiliser les carbonates présente quelques inconvénients à cause de leur grande solubilité, et des échanges isotopiques ou chimiques avec l’environnement peuvent se produire, par exemple avec les acides des sols environnants. Le contenu en carbone 14 est altéré, ainsi que l’âge radiocarbone correspondant. Ces altérations laissent habituellement des traces sur l’extérieur du coquillage.

Les couches internes quant à elles peuvent être affectées par des phénomènes de recristallisation, s’accompagnant de conversions d’aragonite en calcite. Ils sont dus à des échanges avec de la calcite moderne, conduisant là-aussi à la modification du contenu carbone 14.

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Il y a deux effets source ou réservoir pertinents pour la datation radiocarbone des coquillages : l’effet réservoir marin et l’effet eau dure. Des corrections doivent être apportées en décalant les âges pour les prendre en compte.

L’effet réservoir marin est une conséquence des mélanges lents entre les eaux en surface et les eaux profondes dans les océans. Elles ont un rythme différent, comparé aux échanges entre atmosphère et biosphère par la voie du dioxyde de carbone.

L’équilibre du dioxyde de carbone entre l’atmosphère et les eaux de surface est atteint assez vite, mais la diffusion vers les eaux profondes est beaucoup plus lente, et les carbones 14 provenant des deux régions ne correspondent pas aux mêmes temps de désintégration. Des études montrent que le temps de résidence du radiocarbone dans l’atmosphère varie de 6 à 10 ans, tandis que celui du radiocarbone océanique peut être de plusieurs milliers d’années.

L’upwelling (phénomène de remontée des eaux) contribue lui aussi à diluer le contenu radiocarbone des eaux de surface. Dans certaines parties du globe, et particulièrement en région équatoriale, les eaux profondes remontent lorsque l’eau de surface est poussée par les vents marins forts, comme les alizés sous certaines latitudes. La forme du littoral, le climat local, les vents et la topographie des fonds océaniques influent sur le phénomène. Le mélange lent et l’upwelling impliquent que l’eau de surface a un âge relatif apparent par rapport à l’atmosphère.

Les coquillages en eau douce ne sont pas concernés par les effets précédents, mais sont sensibles à l’effet eau dure. Il est dû à la présence d’ions calcium suite à la dissolution du carbonate de calcium d’âge infini, et coïncide avec l’épuisement du carbone 14, bien que l’ampleur du phénomène ne soit pas corrélée à la quantité initiale d’ions. A cause de cet effet, certains échantillons apparaissent plus vieux qu’en réalité en raison de l’incorporation de CaCO₃ ancien qui a été dissous dans la source d’eau douce à partir de substances telles que le calcaire ou la marne que le lac ou les courants ont déplacées. Cela peut être testé en datant des coquilles vivantes dans la même région pour voir si elles donnent des résultats modernes ou plus anciens. Cette différence peut être de l’ordre de quelques décennies à plusieurs siècles selon les facteurs impliqués.

L’effet eau dure peut également affecter les coquillages marins déposés dans les zones où il y a un afflux de carbonate d’eaux douces, comme dans les embouchures de fleuves, et les coquilles terrestres, comme celles des escargots, s’ils se sont nourris dans des régions riches en carbonates.

Les analystes des laboratoires AMS doivent connaître les effets réservoir pouvant influer sur les échantillons de coquilles pour appliquer les corrections nécessaires. Les effets de réservoir marins et d’eau dure sont quantifiés en supposant qu’il n’y a pas eu de changement dans le contenu radiocarbone, et en se livrant à la datation de coquilles de même espèce et de même provenance, d’âge connu et collectées avant les essais nucléaires des années 1950 et 1960.

La valeur DeltaR / DeltaRErr s’applique uniquement aux carbonates d’origine marine.

Une correction globale de réservoir marin allant de 200 ans à 500 ans est appliquée automatiquement, en fonction de l’âge de l’échantillon, à tout carbonate d’origine marine. Cette correction automatique rajeunit l’âge radiocarbone de l’échantillon afin de prendre en compte le délai de 200 à 500 ans nécessaire pour le dioxyde de carbone moderne d’infiltrer et se distribuer dans les colonnes d’eau de mer.

Une correction DeltaR / DeltaRErr est appliquée à l’échantillon après la correction globale. La valeur fournie par le client est ajoutée et/ou soustraite de l’âge auquel la correction globale de réservoir marin a été appliquée. Note: Un DeltaR négatif rendra la date plus âgée (supposant généralement une dilution par de l’eau douce à partir de la moyenne marine globale).

L’environnement des organismes qui assimilent le carbone est un des facteurs à considérer avant la soumission des échantillons à un laboratoire AMS pour la datation radiocarbone, afin de connaître le type de contaminants potentiels.

Toute substance carbonée pouvant altérer le contenu en carbone 14 des coquilles est un contaminant potentiel. Ceci inclut le carbonate de calcium, les matériaux humiques des sols et le dioxyde de carbone des sols. Les cas les plus communs sont ceux causés par échange isotopique et recristallisation.

Les laboratoires AMS soumettent les échantillons à des prétraitements afin d’éliminer tous les contaminants possibles avant la datation.

Bain acide, sonication alcaline ou aucun prétraitement.

Lorsqu’il y a suffisamment de matériau, le laboratoire décape la moitié extérieure de la coquille pour éliminer tout carbonate secondaire éventuel. Veuillez prendre ceci en considération lorsque vous sélectionnez vos échantillons. En règle générale, plus votre échantillon est important, plus vos résultats ont de chances d’être satisfaisants.

Un prétraitement physique est appliqué aux coquilles, ce qui retire tous les contaminants visibles sans utiliser de produits chimiques, et réduit la taille de l’échantillon.

La couche externe est retirée avec une perceuse et du papier carborundum pour isoler l’aragonite (qui sera soumise à la datation). La calcite qui a recristallisé, et est considérée comme un contaminant, est blanche et crayeuse et est facilement retirée mécaniquement.

Les échantillons sont écrasés dans un mortier avec un pilon pour augmenter la surface totale pour les traitements suivants.

Les prétraitements chimiques consistent en un lavage avec de l’acide dilué, généralement de l’acide chlorhydrique (HCl), pour retirer l’extérieur de la coque et les calcites.

En cas de très petits échantillons, l’abrasion devra être mineure, voire inexistante. Dans le cas de matériau adhérant et/ou en présence de cavités, nous pouvons réaliser une sonication.