ACTIVITÉ DE GROUPE


1
Premières méthodes expérimentales pour déterminer l’âge de la Terre



Groupe 4
Une datation par l’étude du temps de refroidissement


Indicateurs de réussite

Groupe







Enregistreur audio

Doc. 13
Améliorations apportées par Kelvin à partir de l’hypothèse de Buffon

Lord Kelvin (1824-1907)

Un siècle après Buffon, Lord Kelvin (1824-1907) pense comme lui que la Terre se refroidit depuis son origine. Il reprend la même méthode, mais dispose d’un outil mathématique plus perfectionné : l’équation de la chaleur de Fourier, qui permet de prendre en compte l’évolution du gradient de température (le refroidissement étant de plus en plus lent avec la profondeur). La méthode de calcul de Kelvin ne peut s’appliquer qu’à une Terre rigide, sans mouvement de convection interne. Kelvin affinera progressivement sa datation, pour aboutir en 1863 à une fourchette de 20 à 40 millions d’années. Cet âge considérable est cependant bien accueilli par les physiciens : depuis un siècle, les progrès des géologues ont contribué à installer l’idée d’une Terre bien plus âgée qu’on ne le pensait autrefois. D’autant que Kelvin est le physicien le plus renommé de son temps, et qu’il utilise l’équation de Fourier qui fait autorité dans le milieu scientifique.

Seuls les géologues et les biologistes, dont les théories établissent un âge de la Terre bien plus important, s’opposent à Kelvin (voir document 10). On sait aujourd’hui que la chaleur interne de la Terre est également la conséquence de la désintégration d’éléments radioactifs internes qui s’accompagne d’un dégagement de chaleur (voir activité 2).

Doc. 11
La méthode expérimentale de Buffon

La méthode expérimentale de Buffon

Buffon est le premier à expérimenter afin de proposer un âge pour la Terre. Vers 1770, il part du constat que la température augmente en profondeur (d’après l’observation de mines) pour émettre l’hypothèse que la Terre était à l’origine une boule de roches en fusion, qui refroidit sans cesse depuis sa formation. Il élabore alors un protocole rigoureux à partir d’une publication de Newton sur la propagation de la chaleur : en chauffant à blanc dans ses forges de Bourgogne, des boulets de différentes tailles et en mesurant la durée de leur refroidissement, il parvient à établir un modèle qu’il extrapole à une sphère de la taille de la Terre.

Doc. 12
Buffon face à la pression des théologiens

Dans une première publication, Les Époques de la nature, en 1779, Buffon annonce ainsi que la Terre doit avoir 25 000 ans, un âge bien plus important que celui admis alors par l'Église. La hardiesse de la pensée de Buffon, pour l'époque, confine à la témérité. D'ailleurs, à la sortie de son ouvrage, Buffon écrit de Paris à un ami : « Je mets donc pour le moment présent mon salut dans la fuite et je pars dimanche pour arriver à Montbard » (son fief de Bourgogne). Après quelque temps et quelques lettres d'excuses aux instances ecclésiastiques, il put revenir sur Paris. Mais il continue ses travaux et publie successivement 50 000 puis 75 000 ans. Mêmes motifs, mêmes punitions, exils en Bourgogne !

Les carnets de Buffon révèlent quant à eux que ses expériences donnent à la Terre plus de 10 millions d'années. Buffon n'a jamais publié ce chiffre, est-ce encore la pression sociale et morale qui l'a contraint à cette « discrétion » ? [...] S'il s'en tient finalement à une chronologie officielle plus courte, il ne peut s'empêcher d'en expliquer la cause en ces termes : « néanmoins il faut raccourcir autant qu'il est possible pour se conformer à la puissance limitée de notre intelligence. »


Patrick De Wever, « Buffon et la première approche expérimentale de la mesure du temps », Futura-sciences.com, septembre 2015.

Ce que j’ai déjà vu

  • L’évolution de la biodiversité au cours du temps
  • La formation des roches sédimentaires dont la compaction

Groupe 3
Une datation par l’étude des fossiles


Doc. 7
L'émergence de la notion d’évolution des espèces

La découverte de nombreux fossiles de dinosaures (le mot apparaît en 1841) va obliger les scientifiques à s’interroger sur la disparition des espèces et à contredire les interprétations littérales de la Bible et les croyances en un Univers éternel et fixe.
En France, Georges Cuvier (1769-1832) est partisan de la fixité des espèces. Pour lui, les espèces animales sont créées telles quelles ; certaines disparaissent, à la faveur de catastrophes (déluges, séismes, etc.), et d’autres espèces les remplacent par migration. Au contraire, Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829) défend la théorie transformiste : il voit, dans les fossiles de mollusques qu’il étudie, les traces d’une lente transformation expliquant l’extinction et l’émergence des espèces. Charles Darwin (1809-1882) théorise l’évolution des espèces sur les bases posées par Lamarck : les espèces actuelles sont le fruit d’une lente évolution d’espèces ancestrales, dont le mécanisme est la sélection naturelle. Pour que des variations minimes à l’échelle d’une génération puissent peu à peu donner naissance à une nouvelle espèce, il est nécessaire que les temps géologiques soient extrêmement grands (plusieurs centaines de millions d’années).

Doc. 8
Darwin caricaturé en singe

Charles Darwin
Parce que sa théorie de l’évolution des espèces venait bousculer tout le système de pensée européen, Charles Darwin fut férocement critiqué.

Doc. 10
La polémique opposant physiciens et biologistes au XIXe siècle

Discipline
(et chef de file)
Méthode employée Âge estimé de la Terre Arguments Incertitudes
Biologie (Darwin) L’étude de fossiles Au moins plusieurs
centaines de millions d’années
L'évolution des espèces se fait très lentement. L'estimation des durées de sédimentation pourrait être fausse. L’évolution pourrait se faire par « sauts » rapides.
Physique (Kelvin) Mesure des temps de refroidissement de roches en fusion (voir groupe 4) Au maximum
cent millions d’années
Le calcul mathématique utilisé semble solide et incontestable. Des sources inconnues de chaleur pourraient être à l’œuvre au cœur de la Terre.

Les débats entre partisans de Darwin et partisans de Kelvin sont très virulents. Faute de preuves irréfutables, aucun des deux camps ne sort vainqueur – mais la renommée de Kelvin contribue au succès de la datation qu’il propose.

Doc. 9
Fossiles d’ammonites dans une couche géologique

Charles Darwin

Les fossiles observés dans les couches géologiques sont relativement homogènes : ces espèces n’ont donc pas évolué durant les millions d’années nécessaires à la sédimentation de la couche. Or, puisqu’une évolution a eu lieu, c’est que ces millions d’années sont petits à l’échelle des temps géologiques. C'est la preuve pour Darwin que la Terre est plus âgée qu’on ne le pense.

Questions

1.Travail en groupe À partir des documents attribués, expliquez la méthode de datation de la Terre. Chaque groupe présentera le principe de la méthode, les sources d’erreurs et/ou les polémiques suscitées.

2. Synthèse À partir des exposés de chaque groupe, établissez une frise chronologique représentant l’évolution de l’âge donné à la Terre en fonction des époques, en précisant le (ou les) scientifique(s) à l’origine de chaque datation.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


3. Un dogme est une affirmation considérée comme incontestable et immuable par une religion ou un courant philosophique. Relevez les caractéristiques d’une théorie scientifique qui l’opposent à un dogme.

Groupe 2
Une datation par l’étude des strates sédimentaires


Doc. 6
Évolution de l'estimation de l'âge minimal de la Terre par mesure de l’épaisseur des dépôts de sédiments

Date Scientifique Estimation de l'épaisseur totale des sédiments (km) Taux de
sédimentation estimé
(mm·an-1)
Durée totale de sédimentation (Ma)
1860
Philips 22 0,229 96
1890
De Lapparent 46 0,33 90
1892
Geikie 30 0,45 à 0,044 73 à 680
1893
McGee 80 0,05 1 584
1893
Upham 80 0,8 100
1900
Sollas 81 3,1 26
1909
Sollas 102 1,28 80

Des facteurs correctifs sont utilisés pour tenir compte de la compaction des couches lors de leur enfouissement.
Différents scientifiques proposent à partir du XIXe siècle d’utiliser les taux de sédimentation (supposés constants) pour en déduire l’âge minimal de la Terre.

Doc. 3
Les débuts de la stratigraphie comme méthode de datation de l’âge de la Terre


Georges-Louis Leclerc, comte de Buffon (1707-1788)

Georges-Louis Leclerc, comte de Buffon (1707-1788), s’intéressa aux temps de sédimentation. Impressionné par l’épaisseur des couches sédimentaires des Alpes et la lenteur des dépôts formés par les océans, il aboutit à un âge de la Terre allant de quelques millions d’années à près de trois milliards. Prudemment, il ne publia pas ces résultats, préférant « être plat que pendu » .


Hubert Krivine, « Histoire de l’âge de la Terre », Images de la physique, n°44, CNRS, 2011.

Doc. 5
Des strates sédimentaires à l'affleurement en Argentine

Des strates sédimentaires
La succession des dépôts sédimentaires permet une estimation de l’âge de la Terre. Les dépôts sont ici constitués de calcaire. Les parties plus rouges contiennent du fer en plus grande quantité.

Doc. 4
La méthode stratigraphique

À partir de la fin du XVIIe siècle, l'étude des dépôts sédimentaires, appelée stratigraphie, prend son essor. L’âge de la Terre va être estimé par mesure de l’épaisseur des strates de sédiments, en utilisant la proportionnalité : s’il faut 100 ans pour qu’un millimètre de sédiments se dépose, alors il faut 100 000 ans pour former une couche d’un mètre. Cette méthode est discutable, car les sédiments ne se déposent pas de manière homogène dans le temps ni dans l’espace. Dans ce contexte, les premières datations vont de quelques millions à quelques milliards d’années, et opposent les partisans d’un temps court (les catastrophistes) et les partisans d’un temps long (les uniformistes).

À partir du XVIIIe siècle, la naissance de la géologie vient remettre en cause les datations antérieures de l’âge de la Terre, basées sur des croyances religieuses. Les scientifiques pressentent en effet que les quelques milliers d’années obtenus à partir des généalogies bibliques sont insuffisants pour expliquer les observations de terrain.

➜ Quelles sont les nouvelles méthodes utilisées pour déterminer l’âge de la Terre ?

Groupe 1
Une datation par l’évolution de la salinité des océans


Doc. 1
L’apport de sel par les rivières

L’apport de sel par les rivières
1
3
2

L’eau de ruissellement se charge en sels minéraux 1, les apporte à l’océan 2, d’où elle s’évapore 3.

Doc. 2
La méthode de Halley et ses applications


Edmond Halley (1656-1742)

Edmond Halley (1656-1742) explique que la salinité de la mer a été apportée par l’eau des rivières. L’eau « douce » des rivières contient en réalité quelques sels provenant des roches qu’elle érode. Elle fournit continûment ces sels à l’océan qui, en permanence, évapore de l’eau douce ; le bilan est donc simple : l’eau de l’océan se charge petit à petit en sels des rivières. Ainsi, en estimant la quantité de sels des océans et le débit total de l’apport des fleuves, on peut déduire la durée nécessaire à leur apport.

Cette idée fut exploitée par John Joly (1857-1933). Il estime l’âge de la formation des océans à 90 millions d’années. Ce modèle est simple mais erroné : il y a des processus de perte de sels (vents, dépôts, etc.) d’où il résulte que la salinité des océans n’a, en fait, que peu varié depuis un ou deux milliards d’années. Mais cette estimation a joué un rôle encore au début du XXe siècle.


Hubert Krivine, « Histoire de l’âge de la Terre », Images de la physique, n°44, CNRS, 2011.
Connectez-vous pour ajouter des favoris

Pour pouvoir ajouter ou retrouver des favoris, nous devons les lier à votre compte.Et c’est gratuit !

Se connecter

Livre du professeur

Pour pouvoir consulter le livre du professeur, vous devez être connecté avec un compte professeur et avoir validé votre adresse email académique.

Votre avis nous intéresse !
Recommanderiez-vous notre site web à un(e) collègue ?

Peu probable
Très probable

Cliquez sur le score que vous voulez donner.

Dites-nous qui vous êtes !

Pour assurer la meilleure qualité de service, nous avons besoin de vous connaître !
Cliquez sur l'un des choix ci-dessus qui vous correspond le mieux.

Nous envoyer un message




Nous contacter?