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09/16/2020

Nouvel éclairage sur le rythme de l’horloge radiocarbone pour la datation des évènements environnementaux, climatologiques ou archéologiques

La datation au radiocarbone, fondée sur la désintégration radioactive du carbone 14 (14C), est la méthode la plus utilisée pour la période des 50 000 dernières années. La teneur en 14C d’un échantillon fossile est comparée à la teneur atmosphérique, cependant puisque celle-ci varie dans le temps, il est nécessaire de connaître la teneur atmosphérique en 14C contemporaine de l’époque de l’échantillon. Une courbe de calibration du radiocarbone permet alors de corriger l’âge mesuré par le 14C en fonction de cette variation. Or, la toute nouvelle courbe IntCal20 a révélé une accélération de l’horloge radiocarbone entre 50 000 et 40 000 ans avant le présent, période où il y a deux fois plus d’années du radiocarbone que d’années calendaires. La mise en évidence de cette anomalie permet une datation plus précise et une meilleure correction de l’âge des échantillons.

Entretien avec Edouard Bard, Professeur au Collège de France, chercheur au CEREGE (Centre Européen de Recherche et d’Enseignement des Géosciences de l’Environnement) et coordinateur des projets ANR CARBOTRYDH (2017-2021) et Equipex ASTER-CEREGE (2011-2019) dont les analyses ont contribué à l’élaboration de la nouvelle courbe.

Quelles nouvelles données révèle la courbe de calibration IntCal 2020 sur le rythme de l’horloge radiocarbone ?

Edouard Bard : « La courbe de calibration représente les âges 14C en fonction des âges vrais (dits calendaires). Elle est construite en mesurant le 14C dans des échantillons pour lesquels des âges justes et précis ont été mesurés par des méthodes indépendantes comme le comptage des cernes annuels des arbres (dendrochronologie) ou la datation des carbonates par la méthode à l’uranium-thorium (U-Th). La nouvelle courbe IntCal20 permet de calculer le rythme de l'horloge radiocarbone avec une précision sans précédent. Pour l’essentiel des 50 000 dernières années, la pente de la courbe est inférieure à l’unité, ce qui signifie que l’horloge radiocarbone fonctionne au ralenti. Le nouveau résultat majeur, qui vient d’être publié par les PNAS, est que la pente de la courbe IntCal20 est caractérisée par un maximum entre 50 000 à 40 000 ans avant le présent (Before Present : BP). Au cours de ce maximum, l’horloge radiocarbone a tourné jusqu’à deux fois plus vite que l’écoulement réel du temps. Cette accélération considérable s’étale sur plusieurs millénaires.

Cette dilatation du temps radiocarbone est liée à l’effondrement du champ géomagnétique au cours d’un événement géophysique centré vers 41 000 ans BP (excursion magnétique de Laschamp). L’arrivée sur Terre des particules du rayonnement cosmique est en effet modulée par l’intensité de la dynamo terrestre comme l’indique la correspondance entre les enregistrements paléomagnétiques et les concentrations de béryllium 10 des glaces polaires (comme le 14C, l’isotope 10Be est un radionucléide formé par le rayonnement cosmique). »

Quels sont les apports et les impacts potentiels de ces résultats pour les utilisateurs de la datation au radiocarbone ?

E. B. : « Depuis trente ans, les courbes de calibration du 14C sont préparées par un groupe de travail international (IntCal), elles servent à toute la communauté des utilisateurs du 14C pour obtenir des âges justes et précis.

L'impact de la dilatation du temps radiocarbone entre 50 000 et 40 000 ans BP peut s’illustrer en considérant des sites préhistoriques occupés par les derniers néandertaliens et les premiers hommes modernes d’Europe. Le recouvrement chronologique entre les plus anciens vestiges d'Homo sapiens et les néandertaliens les plus récents est de plus de six millénaires avec le radiocarbone. Après calibration, cette durée est réduite à moins de quatre millénaires en années calendaires. Cette dilatation du temps devrait aussi affecter les discussions sur la colonisation de l’Eurasie et de l’Australie, et permettre d’améliorer l’étalonnage de l'horloge génétique humaine. Elle aura encore d’autres conséquences dans des domaines variés comme la paléoclimatologie et la géophysique ainsi que pour tous les utilisateurs de la datation au radiocarbone pour cette période reculée.

La courbe IntCal20 devrait conduire à des progrès scientifiques au-delà des aspects purement chronologiques. En effet, le 14C est aussi utilisé comme traceur pour étudier le cycle du carbone pendant les changements climatiques des 50 000 dernières années. La publication d’IntCal20 va conduire à une réévaluation de tous les enregistrements et modélisations des échanges de CO2 entre les différents compartiments du cycle du carbone, notamment l’atmosphère, les océans, la végétation et les sols sur les continents. »

Dans quelles mesures les recherches menées dans le cadre des projets CARBOTRYDH et ASTER-CEREGE ont contribué à l’élaboration de la courbe IntCal20 ?

E. B. : « La courbe IntCal20 inclut des résultats obtenus par le CEREGE grâce au nouveau laboratoire du radiocarbone installé dans le cadre du projet Equipex ASTER-CEREGE des Programmes d’investissements d’avenir (PIA), en particulier le spectromètre de masse par accélérateur (AixMICADAS) dédié au 14C et son unité de purification du carbone.

Nous avons d’abord vérifié la justesse de nos datations 14C de carbonates marins (coraux et foraminifères) introduites précédemment dans la base de données IntCal. En parallèle, nous avons développé un protocole pour l’analyse du bois à haute précision. La qualité de nos datations fut démontrée lors d’une comparaison internationale sur des séries d’arbres subfossiles. Le nouveau laboratoire fait partie des huit laboratoires les plus justes et les plus précis au monde qui ont travaillé à l’établissement de la calibration IntCal20.

Nous avons donc engagé un projet de recherche sur l’analyse de bois subfossiles provenant des Alpes du Sud-Est de la France, le projet ANR CARBOTRYDH, fruit d’une étroite collaboration entre le CEREGE et l’IMBE d’Aix-Marseille. Ces arbres qui ont vécu de 15 000 à 8000 ans BP, sont d'une importance capitale pour la calibration du 14C. Nos résultats ont notamment permis de combler une lacune correspondant à un épisode froid (Dryas Récent) qui empêchait jusqu’à présent l’extension de la calibration jusqu’à 14 000 BP.

En parallèle à ces travaux de géochronologie, nous avons comparé notre nouvel enregistrement du 14C des Alpes françaises avec celui mesuré sur des arbres subfossiles provenant de l’hémisphère sud (pins Kauri de Nouvelle-Zélande). Ceci nous a permis de quantifier le gradient interhémisphérique en 14C qui est lié à des différences dans les échanges régionaux de CO2 entre l’atmosphère et l’océan. Nous avons montré que ce gradient avait changé de façon synchrone à une augmentation du CO2 atmosphérique vers 12 900 ans BP au cours de la dernière déglaciation. Nos observations devraient permettre de mieux identifier et modéliser les sources de CO2 au cours de cette période de réchauffement climatique. »

Quelles sont les prochaines étapes du projet de recherche ANR CARBOTRYDH ?

E. B. : « Les recherches continuent pour étendre dans le temps la calibration du radiocarbone. Pour le moment, l’échelle dendrochronologique est calée de façon absolue jusque vers 14 000 ans BP. Au-delà, nous avons quelques sections de chronologies « flottantes ». Notre ambition est de les rattacher avec de nouveaux bois subfossiles et d’obtenir une calibration optimale pour les 16 000 dernières années. Cette extension nous permettra d’étudier une période caractérisée par des transitions climatiques très marquées (Alleröd-Bölling).

L'intérêt de la mise en évidence du biais chronologique du radiocarbone réside dans l'interprétation physique du phénomène lui-même. Le décalage des âges 14C implique que la teneur atmosphérique de cet isotope fluctue au cours du temps. En plus de l’influence du cycle du carbone, les variations rapides, de l'ordre de la décennie au millénaire, sont liées à des changements du taux de production du 14C en réponse à des fluctuations magnétiques du Soleil qui modulent l'arrivée sur Terre des protons du rayonnement cosmique. A plus long terme, il faut aussi tenir compte des variations de l’intensité du champ magnétique terrestre. Une diminution de ce champ laisse pénétrer dans l'atmosphère plus de rayons cosmiques responsables de la formation du 14C et des autres cosmonucléides.

Une prochaine étape dans l’interprétation des données viendra de la comparaison quantitative des enregistrements du 14C mesurés dans les arbres subfossiles, avec les variations du 10Be analysées dans les glaces polaires et les sédiments océaniques, ainsi que les enregistrements paléomagnétiques des roches volcaniques et sédiments océaniques. La modélisation numérique nous permet de séparer les différentes contributions et d’obtenir de nouvelles contraintes sur les variations des échanges de CO2, de l’activité solaire et de l’intensité de la géodynamo. »

Et les autres résultats attendus grâce à l’Equipex ASTER-CEREGE ?

E. B. : « L’Equipex ASTER-CEREGE comprend trois volets d’instrumentation de géochimie isotopique : le spectromètre AixMICADAS dédié au 14C avec son laboratoire d’extraction et de purification du carbone, un spectromètre de masse à source plasma et multicollecteur (MC-ICPMS) accompagné de nouvelles salles blanches pour préparer les échantillons, et enfin, une nouvelle source d’ions à haute intensité pour l’accélérateur ASTERisques de 5 MV opérationnel au CEREGE depuis 2007. Ces outils sont utilisés de manières autonomes ou combinées pour de nombreux programmes de recherche.

Dans le cadre du projet scientifique, des études sont en cours pour compléter les travaux sur la calibration du radiocarbone, notamment la mesure du 14C dans d’autres archives que le bois (sédiments marins, coraux fossiles, etc.). Le deuxième spectromètre du projet (MC-ICPMS) nous permet de dater les coraux par la méthode U-Th qui produit des âges justes et précis, indépendants de la méthode du radiocarbone. Un autre volet d’étude complémentaire concerne la mesure d’autres cosmonucléides (10Be et 36Cl) grâce à l'accélérateur ASTERisques dans des archives comme les carottes de glace de l’Antarctique et les sédiments océaniques qui nous permettent de quantifier les variations de la production des cosmonucléides (incluant le 14C).

Les recherches réalisées grâce à l’Equipex ASTER-CEREGE vont bien au-delà de la thématique de la calibration du radiocarbone et de ses implications. Les thématiques principales concernent :

  • La reconstitution des variations passées du niveau marin et des mécanismes de déglaciation, afin d’améliorer la modélisation du changement climatique et de la fonte des glaces,
  • L’étude des échanges naturels et anthropiques de carbone entre l’atmosphère, l’océan, la végétation et les sols,
  • L’étude des perturbations géochimiques en cours dans l’environnement en réponse aux changements globaux et aux pressions anthropiques. En effet, le traçage isotopique multi-élémentaire permet d’étudier la distribution naturelle et la dispersion anthropique de certains métaux.

En parallèle à ces sujets de recherche fondamentale, l’Equipex ASTER-CEREGE permet aussi une ouverture vers des sujets de recherche appliquée. »

Le projet ANR CARBOTRYDH (ANR-17-CE01-0001, 2017-2021) regroupe deux partenaires : le CEREGE (UMR Aix-Marseille Université, CNRS, IRD, INRAE, Collège de France) et l’IMBE (UMR Aix Marseille Université, Avignon Université, CNRS, IRD).  Le projet Equipex ASTER-CEREGE (10-EQPX-0024, 2011-2019) est coordonné par Aix-Marseille Université.

Nouveaux articles remerciant les projets CARBOTRYDH et ASTER-CEREGE:

  • Bard E et al., Extended dilation of the radiocarbon time scale between 40,000 and 48,000 years BP and the overlap between Neanderthals and Homo sapiens. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117 (35), 21005-21007, (2020) https://www.pnas.org/content/117/35/21005
  • Capano M, et al., Onset of the Younger Dryas recorded with 14C at annual resolution in French subfossil trees. Radiocarbon, 62 (4), (2020) https://doi.org/10.1017/RDC.2019.116
  • Heaton TJ, et al., Marine20 - the marine radiocarbon age calibration curve (0-55,000 cal BP). Radiocarbon,62 (4), (2020) https://doi.org/10.1017/RDC.2020.68
  • Reimer PJ, et al., The IntCal20 Northern Hemisphere radiocarbon calibration curve (0-55 kcal BP). Radiocarbon, 62 (4), (2020) https://doi.org/10.1017/RDC.2020.41
  • Wacker L, et al., Findings from an in-depth annual tree ring radiocarbon intercomparison. Radiocarbon, 62 (4), (2020) https://doi.org/10.1017/RDC.2020.49