Effet Réservoir marin

  • Le carbone 14 est constamment renouvelé dans l’atmosphère.
  • Théoriquement, la concentration de radiocarbone dans l’atmosphère est la même que celle dans les océans et la biosphère.
  • L’effet réservoir marin tend à déséquilibrer le contenu en radiocarbone des organismes terrestres et marins.
  • Les facteurs de correction de l’effet réservoir pour différents océans ont été établis et enregistrés dans une base de données.
  • Les coquilles de mollusques sont les espèces les plus datées
Shells

La datation par le radiocarbone repose sur l’hypothèse qu’il existe un niveau constant de carbone 14 dans l’atmosphère, et dans les organismes, à travers différents mécanismes d’assimilation et d’équilibrage. Le carbone 14 est un isotope naturel du carbone, instable et faiblement radioactif.

Il est continuellement généré dans la haute atmosphère comme produit entre des neutrons issus de rayonnements cosmiques et l’azote. Les atomes se lient instantanément avec l’oxygène pour former des molécules de dioxyde de carbone. Celui-ci a les mêmes propriétés que les dioxydes de carbone à base d’isotopes de carbone 12 et 13, et est assimilé de la même façon par les océans, les plantes et autres organismes vivants.

Une deuxième hypothèse postule qu’un équilibre existe entre la formation de carbone 14 et sa désintégration, d’où un niveau constant de carbone 14 dans l’atmosphère à un moment donné dans le passé et dans le présent.

Cependant, ces hypothèses ne sont pas tout à fait exactes. Plusieurs facteurs doivent être considérés à cause de leur impact sur la concentration globale de carbone 14 et, par conséquent, celle de tout échantillon soumis à la datation.

Cycle global du radiocarbone

L’atmosphère, les océans et la biosphère sont des réservoirs de radiocarbone en concentrations variables. Celui-ci passe de l’atmosphère aux océans par dissolution et est assimilé par les plantes par photosynthèse, entrant de fait dans la chaîne alimentaire, et pénètrent les organismes terrestres.

Les organismes marins et ceux qui les consomment absorbent également le carbone 14 dissous dans l’eau (sous forme de dioxyde de carbone). Cependant, la concentration n’est pas la même à la surface et au fond des océans, et les organismes marins n’ont donc pas tous les mêmes fractions de radiocarbone.

Effet réservoir marin

Lorsqu’on mesure la teneur en radiocarbone d’un échantillon, il faut prendre en compte plusieurs facteurs, comme le contenu en radiocarbone de la source végétale ou animale de son vivant, ainsi que de son environnement immédiat.

C’est particulièrement le cas lorsqu’on compare les échantillons d’organismes terrestres avec ceux dont le carbone a été assimilé dans un environnement marin. À âge égal, la concentration en carbone 14 sera différente, conduisant à un âge radiocarbone différent.

Les océans sont de grands réservoirs de carbone 14, qui trouve son origine dans le dioxyde de carbone dans l’atmosphère et dans les eaux profondes. Le carbone des fonds océaniques provient du mélange avec les eaux de surfaces ainsi que des désintégrations s’y produisant. Des études montrent que le temps d’équilibrage du dioxyde de carbone à la surface est de l’ordre de 10 ans, tandis que le cas du dioxyde de carbone en eau profonde demeure inconnu.

La datation d’organismes terrestres et marins d’âge équivalent présenteront une différence d’âge radiocarbone de 400 ans. Dans le cas d’un arbre par exemple, l’atmosphère fournit l’ensemble du dioxyde de carbone, ce qui est loin d’être le cas des coquillages, des baleines ou des phoques, qui sembleront plus âgés.

Cet effet réservoir marin n’est pas le même partout, et cette différence doit être également prise en compte. Le mélange des eaux profondes avec des eaux de surface (phénomène de remontée d’eau, aussi appelé « upwelling ») dépend de la latitude et est particulièrement prononcé dans la région équatoriale. La forme du littoral, le climat local, les vents, les alizés et la topologie des fonds marins affectent tous le phénomène.

Selon une étude publiée en 1972 par J. Mangerud, la variation globale de l’effet réservoir, visible sur les carbonates de coquillages, est due à un mélange incomplet des eaux qui remontent des fonds, chargées en vieux carbonates inorganiques, avec de faibles concentrations de carbone 14 qui a eu le temps de se désintégrer après avoir stagné pendant plus de 1000 ans. Cette faible concentration induit un âge apparent beaucoup plus ancien.

Comment déterminer l’effet de réservoir marin?

Il y a trois méthodes qui permettent de déterminer les différences régionales de l’effet réservoir. Elles sont listées par Sean Ulm dans un rapport datant de décembre 2006 :

  • Datation au radiocarbone directe des spécimens marins d’avant 1955 dont l’âge historique est connu
  • Datation au radiocarbone de paires d’échantillons coquillages/charbons provenant de sites archéologiques parfaitement préservés et supposés contemporains
  • Datation radiocarbone et/ou paire radiocarbone et uranium-thorium (uranium-234 et thorium-230) de coraux et de coquillages avec une longue durée de vie, montrant des stries de croissances annuelles claires

Correction de l’effet réservoir marin

Les échantillons marins et terrestres ne peuvent pas être comparés ou associés sans prendre en compte l’effet « réservoir marin ». Les facteurs de correction sont disponibles en ligne, sur le site Marine Reservoir Correction Database du Institute for Aegean Prehistory. Les corrections varient avec l’emplacement à cause de la complexité de la circulation des courants océaniques.

La base de données est également destinée à être utilisée par des logiciels d’étalonnages radiocarbone comme CALIB (Stuiver et Reimer, 1993) ou OxCal (Bronk Ramsey 1995), en utilisant les données d’étalonnage marin de 2013.

Correction localisée de l’effet « réservoir marin (Delta±R)

La valeur Delta±R 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 Delta±R 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 (dépendant de s’il s’agit d’une valeur Delta+R ou Delta–R). Note: Un Delta-R négatif rendra la date plus âgée (présument généralement d’une dilution par de l’eau douce à partir de la moyenne marine globale).

Les exemples de rapports ci-dessous montrent la différence entre un âge radiocarbone de 1000 +/-30 BP avec une correction Delta R de 0+/-0 appliquée (uniquement avec la correction globale) et un âge radiocarbone de 1000 +/-30 BP avec une correction Delta±R de 222+/-35 et une correction globale appliquées.

calibration

Effet eau dure

Les systèmes d’eau douce qui traversent le calcaire ou sont alimentés par de l’eau ancienne en provenance de sources peuvent donner des âges plus anciens que la réalité lors de la datation AMS des carbonates. Le carbone inorganique dissous (Dissolved Inorganic Carbon, DIC) utilisé dans la formation des coquilles ou lors de la précipitation des concrétions de carbonate sera plus âgé que l’époque de la formation en raison du DIC ancien du calcaire. Cela s’appelle “l’effet eau dure” lorsque l’effet provient du calcaire. Les systèmes aquatiques alimentés par de l’eau ancienne auront un DIC âgé associé à cette eau et le même effet pourra être observé. Les deux phénomènes peuvent être considérés comme “effet réservoir”.

La meilleure façon de connaître la compensation de l’effet réservoir consiste à analyser les matériaux organiques en association avec les coquilles qui ne sont pas soumises à cet effet. En règle générale, on utilise le charbon ou les graines trouvés en contact étroit avec le carbonate pour comparer les âges carbone 14 et on utilise ensuite la différence pour corriger les coquilles.

Si le chercheur n’est au courant d’aucune compensation, le laboratoire recommande de mener une recherche documentaire afin de comprendre les systèmes géologiques qui alimentent le site en eau.

Datation carbone des coquilles de mollusques

Au fil des années, les coquilles de mollusques sont certainement les espèces à coquilles qui ont fait l’objet du plus grand nombre d’études de datation. Elles sont constituées à la fois de composants organiques et inorganiques. La conchyoline, qui est organique, ne représente qu’une infime partie de l’ensemble de l’échantillon. Les mesures de radiocarbone concernent donc majoritairement la part inorganique composée de carbonate de calcium.

La datation radiocarbone de carbonates de coquilles pose quelques problèmes. Leur solubilité et leur tendance à interagir avec leur environnement ne permettent pas de garantir les résultats. Il faut prendre en compte aussi bien les effets réservoir marin que les effets d’eau dure.