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Science

Lumière sur l'histoire géologique !

Par Marine Corniou - 08/06/2017
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L’entrée du laboratoire de Michel Lamothe, au département des sciences de la Terre et de l’atmosphère de l’UQAM, ressemble à un antre de magicien. Deux étudiants s’engouffrent dans une porte en forme de demi-cylindre noir qu’ils font pivoter avant de disparaître… De l’autre côté de ce sas, l’obscurité est presque totale. Seules quelques lampes recouvertes de filtres rouge foncé permettent de distinguer les paillasses, sur lesquelles s’entassent des échantillons de roches et de sable provenant de partout dans le monde. Ces vieilles pierres attendent toutes de révéler leurs secrets, au moment où les scientifiques les exposeront à la lumière.

« En éclairant les échantillons avec des faisceaux lumineux, on peut savoir à quel moment ces roches ont été enfouies. C’est une méthode de datation qui permet de remonter jusqu’à 500 000 ans en arrière, soit 10 fois plus loin que ce qu’on peut dater avec le carbone 14 », explique le chercheur.

Ainsi, la luminescence stimulée optiquement – c’est le nom de la technique - permet de faire parler les sédiments pour, par exemple, reconstituer l’histoire des glaciations ou encore déterminer le moment où des céramiques ancestrales ont été enfouies dans le sol. Michel Lamothe revient d’ailleurs tout juste d’Alaska, où il étudie des échantillons provenant de glaciers, son premier centre d’intérêt, mais aussi de sites archéologiques datant de 13 à 14 000 ans.

« Des chercheurs de partout m’appellent pour des projets de datation, notamment en archéologie. Il nous est par exemple possible de dire en quelques minutes si une roche a été chauffée ou non, et donc si elle provient d’un foyer préhistorique », précise ce géologue de formation.

La luminescence n’a pourtant rien de magique : elle repose sur de la physique pure et dure. Le principe ? Les roches enfouies, irradiées au fil des ans par la radioactivité naturelle, ont la propriété d’émettre de la lumière lorsqu’elles sont soumises à une stimulation thermique (c’est la thermoluminescence) ou lumineuse (c’est la luminescence stimulée optiquement ou OSL). Et la quantité de lumière qu’elles émettent est proportionnelle à leur âge, ou plutôt à la durée de leur enfouissement dans le sol.

« Pour comprendre, il faut savoir que les cristaux, dans les roches, sont imparfaits. Il existe, ici et là, des « trous », appelés vacances. C’est principalement le cas dans les cristaux de quartz et de feldspath, des minéraux que l’on retrouve dans tous les sédiments et les céramiques », explique Michel Lamothe. Au fil des ans, la radioactivité de l’environnement contribue à dégrader ces cristaux et à éjecter des électrons des atomes. Ces électrons errants sont susceptibles de venir se nicher dans les trous, au sein des défauts cristallins.

« Ces électrons se retrouvent piégés dans les trous, mais de façon instable. Si on envoie de l’énergie, en chauffant le cristal ou en l’éclairant avec un faisceau de lumière, on peut les déloger », précise-t-il. Retrouvant leur liberté, les électrons ainsi délogés retournent en quelque sorte à leur position initiale et redeviennent stables : ce faisant, ils libèrent des photons. « On parle en réalité de millions de milliards d’électrons et de photons. Si bien que les roches ainsi éclairées ou chauffées renvoient de la lumière », ajoute ce spécialiste mondial de la luminescence, tout en plaçant un échantillon-test dans une machine d’OSL. En quelques secondes, l’échantillon, de la taille d’une pièce de 10 sous, devient littéralement phosphorescent, émettant une jolie lumière bleutée dans la noirceur du laboratoire. « Le nombre d’électrons piégés dépend de la quantité totale de radiations auxquelles le cristal a été exposé au fil du temps. En mesurant la lumière émise et la radioactivité environnante, dont le débit est constant dans le temps, on peut savoir depuis quand le sédiment n’a pas vu le jour », résume Michel Lamothe.

En effet, les électrons baladeurs commencent à s’accumuler dans la roche à partir du moment où celle-ci est enfouie. Ils sont « remis à zéro » dès que le minéral est exposé au soleil, ou s’il est chauffé, dans un foyer ou lors de la cuisson de poteries ou de céramiques. Voilà qui permet de faire un vrai compte à rebours pour remonter au moment de l’enfouissement !

Au laboratoire, les prélèvements doivent ensuite être protégés de toute lumière, jusqu’au moment de leur datation. « Comme on utilise de la lumière pour obtenir une réponse lumineuse de la roche, il faut qu’on la stimule avec un faisceau ayant une longueur d’onde différente de celle que renverra la roche », poursuit le géologue, dont une des missions est d’améliorer la fiabilité de l’OSL. Bien qu’encore imprécise (la marge d’erreur est de 5 à 8%), cette méthode est pour le moins prometteuse. « C’est la méthode de datation qui a le plus gros potentiel d’application, que ce soit en archéologie, en paléoclimatologie pour connaître la variation historique des niveaux marins ou les changements climatiques, mais aussi pour authentifier des pièces d’art », s’enthousiasme Michel Lamothe, dont l’un des projets porte sur la datation de peintures rupestres dans des grottes d’Afrique du Sud. Son expertise dans le domaine l’a d’ailleurs amené à voyager partout, et à toucher à tout, puisqu’il est allé jusqu’à mener une étude de faisabilité pour utiliser la méthode…sur Mars !

Alors qu’il a célébré cette année les 25 ans de son laboratoire Lux, le chercheur se réjouit de l’engouement nouveau que suscite la luminescence optique, qui existe depuis la fin des années 1980 mais dont le potentiel commence enfin à être reconnu.

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