Datation Radiocarbone sur Os

Les ossements sont parmi les matériaux les plus couramment envoyés aux laboratoires de spectrométrie de masse par accélérateur (AMS en anglais) pour la datation carbone 14 car les ossements animaux et humains font souvent l’objet d’études archéologiques.

Les résultats de datation carbone 14, dans le cadre de ces recherches archéologiques, nous ont permis de mieux comprendre l’ère préhistorique. C’est grâce à la datation par le radiocarbone qu’une connaissance plus approfondie sur les anciennes civilisations est rendue possible.

Composition d’un os

Un os est composé de matière organique à 30%, principalement à base de protéines de collagène. Les 70% restants sont inorganiques, et constitués d’hydroxyapatite minérale, qui est une combinaison de phosphate de calcium, de carbonate de calcium, de fluorure de calcium, d’hydroxyde de calcium et de citrate. Le collagène fournit la force et la flexibilité de l’os tandis que l’hydroxyapatite donne à l’os sa structure solide et rigide.

En théorie, les deux composants organique et inorganique peuvent être datés. Cependant, à cause de sa structure en réseau ouvert, l’hydroxyapatite est fortement contaminée par les carbonates des eaux souterraines. L’élimination de ces contaminants n’est pas possible par dilution acide parce que l’hydroxyapatite est également soluble dans l’acide.

Les laboratoires utilisent pour la datation AMS la composante à base de protéines, celle-ci résistant relativement bien à l’acide, et étant donc plus simple à isoler de l’hydroxyapatite et autres carbonates.

Dans le cas où la partie protéique n’est pas assez bien préservée, et a été dégradée à cause d’un environnement trop chaud, ou des attaques fongiques ou bactériennes, les laboratoires procèdent à la datation d’acides aminés individuels et vérifient s’il y a concordance des âges pour la majorité d’entre eux. Ceci est possible parce que la datation radiocarbone par AMS ne nécessite que de petites quantités d’échantillons. Le processus reste cependant long et coûteux, et n’est recommandé que dans des cas extrêmes, comme pour de vieux os où la présence de contaminants en quantités infimes produira de grandes erreurs.

Échelle de temps des échantillons d’os

L’échelle de temps d’un organisme est caractéristique du temps de croissance et de la durée pendant laquelle celui-ci a interagi avec la biosphère. La plupart des organismes cessent tout échange de carbone avec la biosphère dès qu’ils meurent. D’où l’âge radiocarbone de zéro au moment de la mort.

Cependant, les recherches dans le domaine suggèrent qu’un os ne cesse pas d’assimiler du carbone C14 au moment de la mort, mais qu’il existe un délai approximatif de 30 ans pour les os humains et un délai plus court pour les os animaux.

Les données sur l’échelle du temps sont nécessaires pour l’étalonnage des résultats de datation et permettent de calibrer l’âge daté au radiocarbone à l’âge calendaire.

Tout matériau contenant du carbone peut potentiellement contaminer les échantillons d’os. Leur environnement contient souvent différents types de matières organiques, ce qui explique qu’ils soient parmi les échantillons les plus contaminés reçus dans les laboratoires qui réalisent les datations par AMS.

Les contaminants les plus communs sont les acides humiques et fulviques, qui sont des acides organiques présents dans les sols à la suite de la dégradation microbienne des tissus végétaux ou animaux. D’autres composés sont identifiés dans la littérature, comme les polyphénols, les polysaccharides, les lignines et les collagènes dégradés. Suivant le lieu de l’excavation, il peut y avoir également contamination par du calcaire. Ces contaminants sont naturels, car ils sont la conséquence de phénomènes naturels.

Les contaminants artificiels sont ceux qui sont introduits par l’homme durant les phases de collecte, de conservation ou de conditionnement des échantillons. Si de la colle animale est appliquée sur l’os pour l’étiquetage, alors il y a contamination, à cause de la similarité des structures chimiques. Les résultats des datations AMS seront alors inexacts.

D’autres contaminants potentiels pouvant être introduits après les fouilles sont les biocides, le polyacétate de vinyle et le polyéthylène glycol (produits chimiques de conservation), les cendres de cigarette et les étiquettes et emballages en papier.

Les effets des contaminants sur les échantillons soumis à une datation AMS dépendent des facteurs suivants : type de contamination, degrés de contamination et âge relatif entre le contaminant et l’échantillon.

Le calcaire étant d’origine géologique, il est plus âgé que les échantillons archéologiques, et s’il n’est pas retiré avant la procédure de datation, l’âge radiocarbone paraîtra plus vieux que l’âge vrai de l’échantillon.

La présence d’acides humiques et fulviques conduira également à des résultats inexacts. Suivant l’âge de l’organisme qui a produit les acides, le résultat de la datation AMS donnera un âge apparent plus jeune ou plus vieux.

Les os peuvent aussi être exposés à des sources modernes de carbone, introduits par des radicelles, ce qui conduira certainement à un âge apparent rajeuni par rapport à l’âge véritable.

En général, les contaminations d’âge infini font apparaître les échantillons plus anciens, tandis que les contaminations au carbone moderne les font apparaître plus jeunes que l’âge réel.

Pour éviter ces erreurs, les laboratoires AMS effectuent des prétraitements sur les échantillons d’os avant de les soumettre à la datation.

Les prétraitements physiques sont des processus qui ne nécessitent pas d’utiliser de produits chimiques. Des exemples sont l’élimination de radicelles des plantes et la réduction de la taille de l’échantillon par broyage.

Le personnel examine visuellement les échantillons d’os pour vérifier la présence de contaminants visibles.

Les radicelles sont enlevées à l’aide de pinces. Un scalpel ou une fraise dentaire sont utilisés pour gratter les couches extérieures de leurs contaminants.

Les laboratoires vérifient également la dureté de l’os, afin de s’assurer qu’il y a suffisamment de collagène pour la datation. Son absence se traduit par une structure plus molle. Lorsque les contaminants visibles ont été éliminés, les ossements sont pulvérisés dans un mortier avec pilon, et leur taille est réduite afin d’augmenter la surface pour les traitements suivants.

Les différents laboratoires de datation radiocarbone n’utilisent pas toujours les mêmes procédures, mais les produits chimiques utilisés pour le traitement des os sont les mêmes.

L’échantillon d’os broyé est rincé avec une solution diluée d’acide chlorhydrique (HCl) jusqu’à ce que l’hydroxyapatite soit éliminée et le collagène isolé. Les radicelles qui sont restées accrochées sont détachées.

Pour assurer l’élimination complète des acides organiques, le collagène est lavé avec une solution alcaline, habituellement de l’hydroxyde de sodium (NaOH). Cette étape est toutefois ignorée si le collagène n’est pas dans un état de conservation suffisant, le lavage risquant de retirer les matériaux organiques restants qui peuvent encore être datés.