Corrigé bac SVT 2026 Métropole jour 2 — Exercice 1 : L'utilisation des isotopes en sciences de la Terre : climats passés et datation

Introduction

Deux atomes sont isotopes lorsqu'ils appartiennent au même élément chimique (même nombre de protons, mêmes propriétés chimiques) mais diffèrent par leur nombre de neutrons, donc par leur masse : oxygène 16 et oxygène 18, carbone 12 et carbone 14. Les isotopes stables gardent le même noyau au cours du temps, mais leur masse différente les fait se comporter un peu différemment lors d'un changement d'état. Les isotopes radioactifs ont un noyau instable qui se transforme spontanément, à rythme constant, en un noyau d'un autre élément. Dans les deux cas, le géologue mesure au spectromètre de masse un rapport isotopique, proportion de deux isotopes dans une glace, un fossile ou un minéral. Comment un tel rapport peut-il servir à la fois de thermomètre du passé et d'horloge des roches ? Nous montrerons que le rapport des isotopes stables de l'oxygène enregistre la température au moment où une archive se forme (I), que le rapport d'un isotope radioactif à son produit mesure le temps écoulé depuis la formation d'une roche (II), puis comment les deux outils se combinent en une histoire climatique datée (III).

I. Les isotopes stables de l'oxygène, un thermomètre des climats passés

Le rapport ${}^{18}\mathrm{O}{/}^{16}\mathrm{O}$ et le fractionnement isotopique. L'oxygène naturel est très majoritairement de l'oxygène 16, l'oxygène 18, plus lourd, n'en représentant qu'une faible fraction. On exprime l'écart du rapport ${}^{18}\mathrm{O}{/}^{16}\mathrm{O}$ d'un échantillon à celui d'un standard par le ${\delta }^{18}\mathrm{O}$, en pour mille :

$${\delta }^{18}\mathrm{O}=\left(\frac{{(}^{18}\mathrm{O}{/}^{16}\mathrm{O}{)}_{\text{eˊchantillon}}}{{(}^{18}\mathrm{O}{/}^{16}\mathrm{O}{)}_{\text{standard}}}-1\right)\times 1000.$$

Ce rapport varie dans le cycle de l'eau. Une molécule ${\mathrm{H}}_2{}^{16}\mathrm{O}$, plus légère, s'évapore un peu plus facilement ; une molécule ${\mathrm{H}}_2{}^{18}\mathrm{O}$, plus lourde, se condense la première. On le vérifie au laboratoire : la vapeur qui se forme au-dessus d'un bac d'eau a un ${\delta }^{18}\mathrm{O}$ plus faible que le liquide, et l'écart entre les deux est d'autant plus grand que la température est basse. Une masse d'air océanique qui se refroidit en gagnant les pôles perd donc à chaque précipitation de l'oxygène 18 : la neige qui tombe sur les calottes est d'autant plus appauvrie en ${}^{18}\mathrm{O}$ que l'air est froid. Ce fractionnement isotopique dépendant de la température fait du ${\delta }^{18}\mathrm{O}$ un thermomètre. La relation s'étalonne dans le présent (principe d'actualisme) : le ${\delta }^{18}\mathrm{O}$ des précipitations actuelles des stations polaires diminue régulièrement avec la température moyenne annuelle du site.

Les archives glaciaires. La neige polaire s'accumule chaque année et se tasse en glace ; un forage extrait une carotte de glace dont chaque niveau est plus ancien que celui qui le recouvre. Le ${\delta }^{18}\mathrm{O}$ de la glace (ou le $\delta \mathrm{D}$ de l'hydrogène) à une profondeur donnée renseigne sur la température au moment de la chute de neige : une valeur faible signe un climat froid. Les carottes antarctiques de Vostok ($400000$ ans) puis d'EPICA (près de $800000$ ans) révèlent ainsi une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires de périodicité dominante $100000$ ans, avec un écart de l'ordre de la dizaine de degrés en Antarctique entre un maximum glaciaire et un interglaciaire. La même glace enferme des bulles d'air fossile dont on mesure le $\mathrm{CO}{}_2$ : température isotopique et $\mathrm{CO}{}_2$ oscillent en parallèle, ce qui a révélé le couplage entre effet de serre et climat.