Datation par résonance de spin électronique et résonance de spin électronique/uranium-thorium : principes d’application et modalités de prélèvements

https://doi.org/10.34692/mfc5-r780

Thème 3. Datations paléodosimétriques : OSL, TL, ESR

La méthode de datation par résonance de spin électronique (ESR) est, tout comme les méthodes basées sur la luminescence, une méthode paléodosimétrique, c’est-à-dire utilisant l’échantillon comme un dosimètre naturel ayant enregistré la dose totale de radiations naturelles à laquelle il a été soumis depuis l’évènement que l’on cherche à dater. L’irradiation entraîne en effet le piégeage au cours du temps d’une partie des électrons libérés par ionisation dans des défauts pré-existants du système cristallin des minéraux, le nombre total d’électrons piégés étant proportionnel à la dose totale de radiations reçue par l’échantillon, appelée paléodose, à la dose naturelle de radiations reçue par l’échantillon au cours d’une année, ou dose annuelle, et à la durée de l’irradiation, c’est-à-dire ici l’âge recherché. À la différence des méthodes de datation basées directement sur un phénomène de désintégration radioactive (par exemple, 14C, 40Ar/39Ar, 230Th/234U, 10Be/26Al), l’application des méthodes paléodosimétriques (OSL, TL, ESR) requiert l’acquisition de données provenant non seulement de l’échantillon, mais également de son environnement proche. Depuis une trentaine d’années, deux supports fréquemment rencontrés dans les séquences pléistocènes, les dents d’herbivore et les grains de quartz, sont privilégiés pour les études géochronologiques et l’ESR est classiquement utilisée pour préciser la chronologie des occupations paléolithiques et des séquences sédimentaires les renfermant. La datation de grains de quartz blanchis extraits de sédiment permet alors d’obtenir l’âge du dernier dépôt après exposition des grains de quartz à la lumière du soleil tandis que c’est la date de la mort de l’animal qui est estimée lors de la datation d’émail dentaire, l’incorporation post-mortem d’uranium dans les tissus dentaires nécessitant alors de modéliser la cinétique d’incorporation de cet élément dans chacun d’entre eux en combinant données ESR et uranium-thorium (ESR/U-Th). L’ESR et l’ESR/U-Th ont ainsi été appliqués avec succès durant les 30 dernières années. L’application de ces méthodes est cependant fortement dépendante du contexte géologique et géomorphologique et de la qualité du matériel prélevé. Par conséquent, une bonne stratégie de prélèvement est cruciale pour obtenir des âges ESR et ESR/U-Th fiables, en particulier en contexte d’archéologie préventive qui interdit fréquemment de pouvoir intervenir a posteriori sur le site.

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The Electron Spin Resonance (ESR) dating method, like luminescence-based methods, is a palaeodosimetric technique. This means that the sample acts as a natural dosimeter that has recorded the total dose of natural radiation to which it has been exposed since the event being dated. Irradiation results in the progressive trapping of some of the electrons released by ionization in pre-existing defects within the crystalline structure of minerals. The total number of trapped electrons is proportional to the total dose of radiation received by the sample (referred to as the palaeodose), the natural dose of radiation received annually (the annual dose), and the duration of the irradiation, which corresponds to the age being determined. Unlike dating methods based directly on a radioactive decay phenomenon (e.g., ¹⁴C, ⁴⁰Ar/³⁹Ar, ²³⁰Th/²³⁴U, ¹⁰Be/²⁶Al), the application of palaeodosimetric methods (OSL, TL, ESR) requires the acquisition of data not only from the sample itself but also from its immediate environment. Over the past thirty years, two commonly found materials in Pleistocene sequences—herbivore teeth and quartz grains—have been favored for geochronological studies. ESR is conventionally used to refine the chronology of Palaeolithic occupations and the sedimentary sequences that contain them. Dating bleached quartz grains extracted from sediments allows for determining the age of the last deposition after exposure to sunlight, while dating dental enamel provides an estimate of the animal’s time of death. However, the post-mortem incorporation of uranium into dental tissues requires modeling the kinetics of uranium uptake within each tissue by combining ESR and uranium-thorium (ESR/U-Th) data. ESR and ESR/U-Th dating have been successfully applied over the past 30 years. However, the application of these methods is highly dependent on the geological and geomorphological context, as well as the quality of the collected material. Consequently, an effective sampling strategy is crucial to obtaining reliable ESR and ESR/U-Th ages, especially in the context of preventive archaeology, where it is often impossible to return to the site later.

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Publication

Jean-Jacques Bahain, Pierre Voinchet, Olivier Tombret, Christophe Falguères. Datation par résonance de spin électronique et résonance de spin électronique/uranium-thorium : principes d’application et modalités de prélèvements. Datations « absolues » en archéologie : 8e séminaire scientifique et technique de l’Inrap, Lucile Beck; Marc Bouiron; Carine Carpentier; Richard Cottiaux; Emmanuelle Delqué-Količ; Sophie Féret, Dec 2024, Orsay, France. 24 p., 2026. ⟨10.34692/70w2-r770⟩. ⟨hal-05736697⟩