Comprendre la datation par le carbone 14
La datation par le carbone 14 est la méthode radiométrique la plus utilisée en archéologie pour les périodes couvrant les 50 000 dernières années. Elle figure sur presque toutes les étiquettes de musée ("daté par radiocarbone vers 3200 av. J.-C.") et dans presque tous les rapports de fouille. Pourtant, son fonctionnement, ses limites et la façon dont il faut interpréter les résultats publiés restent mal compris du grand public.
Le principe : la demi-vie du carbone 14
Le carbone existe sous trois formes isotopiques : C-12 (stable, 99 % du carbone terrestre), C-13 (stable, environ 1 %) et C-14 (radioactif, présent à des concentrations infimes). Le C-14 est produit en continu dans la haute atmosphère par l'interaction des rayons cosmiques avec l'azote (N-14) : les neutrons produits par les rayons cosmiques frappent les noyaux d'azote et les transforment en carbone 14. Ce C-14 s'intègre au CO2 atmosphérique, entre dans les chaînes alimentaires par la photosynthèse et se retrouve dans tous les organismes vivants.
Quand un organisme meurt, il cesse d'incorporer du carbone frais. Le C-14 qu'il contient se désintègre à un taux constant : sa demi-vie est de 5 730 ans (chiffre actuellement accepté, anciennement estimé à 5 568 ans, "demi-vie de Libby" encore utilisée dans certains laboratoires). En mesurant le rapport C-14/C-12 d'un échantillon et en le comparant au rapport d'origine, on peut calculer le temps écoulé depuis la mort de l'organisme.
Pourquoi les résultats sont toujours accompagnés d'une incertitude
Une date radiocarbone n'est jamais un chiffre exact : elle est toujours exprimée avec une incertitude statistique, par exemple "3200 ± 40 BP". Le "±" ne signifie pas que le laboratoire a fait une erreur ; il représente l'incertitude statistique de la mesure, correspondant à un écart-type (1 sigma, soit environ 68 % de probabilité que la vraie valeur soit dans cet intervalle). Les archéologues utilisent généralement l'intervalle à 2 sigma (95 % de probabilité).
Le sigle "BP" signifie "Before Present" (avant le présent), avec la convention internationale que "le présent" est fixé à 1950 — année approximative de la généralisation des mesures radiocarbones — pour éviter que la date de référence ne change chaque année.
Le calibrage par dendrochronologie et la courbe IntCal
Le carbone 14 atmosphérique n'a pas été produit à un taux parfaitement constant au cours des millénaires : les variations d'activité solaire, le champ magnétique terrestre et des phénomènes volcaniques ont fait fluctuer la concentration de C-14. Une date radiocarbone brute ("radiocarbon years BP") ne correspond donc pas directement aux années calendaires.
La correction se fait par calibrage : on utilise des courbes de calibration construites à partir d'archives indépendantes dont les dates en années calendaires absolues sont connues. La principale source est la dendrochronologie (datation par les cernes des arbres) : des séquences de cernes contiguës permettent de remonter à plus de 14 000 ans dans des espèces comme le chêne en Europe et le pin bristlecone en Californie. En prélevant un échantillon de bois de chaque cerne et en mesurant son C-14, on obtient une courbe reliant "date calendaire" à "concentration en C-14". Les courbes IntCal (IntCal20 est la version actuelle, publiée en 2020) sont le standard international.
La calibration peut produire des intervalles calendaires larges ou même bimodaux (deux périodes également probables) là où la courbe IntCal est plate ou fait une oscillation, ce qui est l'une des limites intrinsèques de la méthode.
Prétraitement des échantillons
Les échantillons archéologiques sont rarement chimiquement purs. Le bois et le charbon peuvent avoir absorbé des carbonates du sol environnant ; les ossements peuvent avoir été remaniés. Avant la mesure, les échantillons passent par un protocole de prétraitement chimique. Pour le charbon de bois, le protocole standard est l'ABA (Acid-Base-Acid) : un bain d'acide chlorhydrique dilué élimine les carbonates ; un bain de soude élimine les acides humiques; un second bain d'acide prépare l'échantillon pour la mesure. Pour les ossements, on isole le collagène par hydrolyse acide en milieu chauffé.
La qualité du prétraitement est déterminante : un échantillon insuffisamment décontaminé peut donner des résultats erronés de plusieurs siècles. Les laboratoires publient leurs protocoles de prétraitement avec leurs résultats.
AMS contre conventionnel
Il existe deux techniques de mesure. La spectrométrie de masse par accélérateur (AMS, Accelerator Mass Spectrometry) compte directement les atomes de C-14 dans un échantillon de 1 à 50 milligrammes. La méthode conventionnelle (comptage des désintégrations béta) nécessite plusieurs grammes de matière et plusieurs jours de comptage. L'AMS est aujourd'hui le standard : elle est plus rapide (résultats en quelques semaines), nécessite des échantillons infimes (une graine carbonisée, un fragment de cuir) et atteint une précision comparable.
L'effet réservoir
Les organismes marins (coquillages, poissons, mammifères marins) incorporent du carbone dissous dans l'eau de mer, qui est en équilibre isotopique avec l'atmosphère mais avec un retard variable selon les bassins océaniques. Ce "réservoir marin" peut donner aux organismes marins une apparence de vieillissement apparent de 400 à plus de 1 000 ans selon les régions. Les populations côtières dont l'alimentation était riche en poissons peuvent donc sembler plus anciennes qu'elles ne l'étaient réellement si l'on ne corrige pas l'effet réservoir. Les courbes de calibration marine (Marine20) et les corrections régionales (ΔR) permettent d'appliquer ce correctif, mais cela exige de connaître le régime alimentaire des individus — information souvent déduite de l'analyse des isotopes stables (δ13C, δ15N) des os.
Ce que la date radiocarbone ne peut pas dater
La méthode ne date que la mort de l'organisme dont provient l'échantillon, pas nécessairement l'événement archéologique qu'on cherche à dater. Un poteau en chêne de vieille croissance felled six cents ans avant sa réutilisation dans une construction donne la date du bois, pas de la construction. Un charbon de bois d'arbre mort avant l'occupation humaine du site donne la date de l'arbre, pas du foyer. Ces problèmes de "vieux bois" (old wood problem) et de "résidual material" sont des pièges classiques que les archéologues expérimentés anticipent en croisant plusieurs échantillons de nature différente.
Pour visualiser les sites dont les phases d'occupation ont été établies par datation radiocarbone — ce qui inclut la quasi-totalité des sites de la carte — les informations chronologiques de chaque site incluent généralement la méthode de datation utilisée.