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Esprit critique
Une longue histoire de la matière
Ch. 1
Les éléments chimiques
Ch. 2
Les cristaux, des édifices ordonnés
Ch. 3
Une structure complexe : la cellule
Le Soleil, notre source d'énergie
Ch. 4
Le rayonnement solaire
Ch. 5
Le bilan radiatif terrestre
Ch. 6
Énergie solaire, photosynthèse et nutrition
Ch. 7
Énergie solaire et humanité
La Terre, un astre singulier
Ch. 8
La forme de la Terre
Ch. 9
L’Histoire de l'âge de la Terre
Ch. 10
La Terre dans l'Univers
Son et musique, porteurs d'information
Ch. 11
Son et musique
Ch. 12
Le son, une information à coder
Ch. 13
Entendre et protéger son audition
Projet expérimental et numérique
Livret Maths
Annexes
Chapitre 9
Activité 1 - en groupe
Les premières méthodes expérimentales pour déterminer l'âge de la Terre
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Introduction
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 ?
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- L'évolution de la biodiversité au cours du temps
- La formation des roches sédimentaires
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Questions
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1.
2. Synthèse À partir des exposés de chaque groupe, établissez une frise chronologique représentant l'évolution de l'âge attribué à la Terre en fonction des époques, en précisant le (ou les) scientifique(s) à l'origine de chaque datation.
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.
Travail en groupe
À partir des documents attribués, expliquez la méthode de datation de la Terre. Chaque groupe présentera aux autres le principe de la méthode, les sources d'erreurs et/ou les polémiques suscitées.
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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.
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Groupe 1 Une datation par l'évolution de la salinité des océans
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Doc. 1L'apport de sel par les rivières
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L'eau de ruissellement se charge en sels minéraux (1), les apporte à la mer (2), puis s'évapore (3).
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Doc. 2La méthode de Halley et ses applications
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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 est 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.
Cette idée est 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.
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Groupe 2 Une datation par l'étude des strates sédimentaires
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Doc. 3Les débuts de la stratigraphie comme méthode de datation de l'âge de la Terre
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Georges-Louis Leclerc, comte de Buffon (1707-1788), s'est intéressé 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 publie pas ces résultats, préférant « être plat que pendu ».
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Doc. 4La 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).
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Doc. 5Des strates sédimentaires à l'affleurement en Argentine
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La succession des dépôts sédimentaires permet, d'après Buffon, 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.
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Doc. 6L'évolution de l'estimation de l'âge minimal de la Terre par mesure d'épaisseur de 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 | Phillips | 22 | 0,229 | 96 |
| 1890 | De Lapparent | 46 | 0,51 | 90 |
| 1892 | Geikie | 30 | 0,45 à 0,044 | 73 à 680 |
| 1893 | McGee | 80 | 0,05 | 1584 |
| 1893 | Upham | 80 | 0,8 | 100 |
| 1900 | Sollas | 81 | 3,1 | 26 |
| 1909 | Sollas | 102 | 1,28 | 80 |
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. Des facteurs correctifs sont utilisés pour tenir compte de la compaction des couches lors de leur enfouissement.
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Groupe 3 Une datation par l'étude des fossiles
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Doc. 7L'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 (déluge, 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).
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 (déluge, 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).
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Doc. 8Darwin caricaturé en singe
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Parce que sa théorie de l'évolution des espèces est venu bousculer tout le système de pensée européen, Charles Darwin a été férocement critiqué.
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Doc. 9Des fossiles d'ammonites dans une couche géologique
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.
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Doc. 10La 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) | La mesure des temps de refroidissement de roches en fusion (voir ) | 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.
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Groupe 4 Une datation par l'étude du temps de refroidissement
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Doc. 11La 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.
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Doc. 12Buffon 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 a pu 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. »
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. »
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Doc. 13Les améliorations apportées par Kelvin à partir de l'hypothèse de Buffon
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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 : la loi de Fourier, qui permet de prendre en compte le gradient de température (le refroidissement étant de moins en moins important avec la profondeur). La méthode de calcul de Kelvin ne peut s'appliquer qu'à une Terre rigide, sans mouvement de convection interne.
Kelvin affine 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 la loi 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 (Doc. 10). On sait aujourd'hui que la température élevée à l'intérieur de la Terre est également la conséquence de la désintégration de noyaux radioactifs qui s'accompagne d'un dégagement de chaleur (voir ).
Kelvin affine 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 la loi 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 (Doc. 10). On sait aujourd'hui que la température élevée à l'intérieur de la Terre est également la conséquence de la désintégration de noyaux radioactifs qui s'accompagne d'un dégagement de chaleur (voir ).
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Indicateurs de réussite
1. Avoir expliqué la méthode étudiée et en avoir cerné ses limites.
2.
3. Avoir produit la frise synthétisant les grandes étapes de détermination de l'âge de la Terre.
4. Avoir identifié quelques éléments qui caractérisent une théorie scientifique.
Oral
Avoir communiqué ses conclusions de manière synthétique, à l'oral, à l'ensemble de la classe.
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4. Avoir identifié quelques éléments qui caractérisent une théorie scientifique.
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