Applications de l’Unité Radiocarbone
Calibration du radiocarbone et cycle du carbone global
Dans sa forme originale, la datation radiocarbone n’est pas exacte car la teneur atmosphérique en 14C ne reste pas constante au fil du temps. Cette teneur a varié en raison des changements du taux de production par les rayons cosmiques, ainsi que des réarrangements du cycle biogéochimique du carbone. Pour calculer l’âge d’un objet ancien à partir de la mesure du 14C qu’il contient, il faut connaître la teneur en 14C de l’atmosphère contemporaine de l’époque d’apparition de cet objet. L’âge radiocarbone initial est donc corrigé (on dit calibré) en comparant la teneur en 14C mesurée avec celles d’autres échantillons pour lesquels des âges justes et précis ont été mesurés par des méthodes indépendantes comme le comptage des cernes annuels des arbres ou la datation des carbonates par la méthode à l’uranium-thorium (U-Th). Depuis trente ans, les courbes de calibration du radiocarbone sont préparées par le groupe de travail international IntCal auquel le CEREGE participe depuis sa fondation.
La dernière itération de la calibration IntCal20 (Reimer et al. 2020, Heaton et al. 2020, 2021, 2022, 2023, Bard et al. 2020) inclut notamment les résultats obtenus grâce au spectromètre AixMICADAS (Bard et al. 2015) mesurés dans le cadre des projets EQUIPEX ASTER-CEREGE et ANR CARBOTRYDH (Capano et al. 2018, 2020a). La qualité des datations réalisées par AixMICADAS a été démontrée dans le cadre d’une intercomparaison internationale sur des séries d’arbres subfossiles (Wacker et al. 2020).
En parallèle à l’amélioration de la justesse du chronomètre radiocarbone, l’enregistrement des variations naturelles du 14C est essentiel pour notre compréhension de processus climatiques, des variations de l’activité solaire, de l’intensité de la géodynamo et du cycle biogéochimique du carbone. Le développement d’un enregistrement du 14C sur 50 000 ans permet d’étudier et de simuler les processus terrestres et d’améliorer les modèles informatiques utilisés pour les projections du changement climatique actuel (Heaton et al. 2021). En effet, les simulations climatiques compilées par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) s’appuient sur le 14C comme indicateur de l’activité solaire et en tant que traceur du cycle global du carbone – ainsi que bien sûr comme chronomètre pour la plupart des séries paléoclimatiques des 50 000 dernières années. Nos enregistrements réalisés sur des bois provenant des Alpes françaises sont comparés à des résultats similaires pour l’hémisphère sud (Nouvelle-Zélande et Tasmanie) ce qui permet d’étudier les échanges interhémisphériques et l’évolution des flux de CO2 vers l’atmosphère (Capano et al. 2020). Le 14C nous renseigne aussi sur l’occurrence dans le passé d’éruptions solaires extrêmes, avec des amplitudes beaucoup plus grandes que celles observées par les astronomes.
L’étude des variations du 14C dans les archives marines permet de compléter la calibration du radiocarbone ainsi que de quantifier les variations du cycle du carbone en comparant les séries atmosphériques et océaniques. En réalisant des datations 14C de coraux et de foraminifères planctoniques, il est possible de reconstituer la variabilité de l’âge 14C du réservoir marin de surface (ARM) qui est un traceur des échanges gazeux air-mer et du mélange du carbone dans l’océan (Skinner & Bard 2022, Skinner et al. 2023). En outre, les âges 14C mesurés sur les foraminifères benthiques permettent d’évaluer la circulation océanique profonde (Skinner & Bard 2022, Skinner et al. 2023). Notre projet de recherche collaborative internationale (ANR MARCARA avec l’Institut Alfred Wegener de Bremerhaven) est focalisé sur l’observation et la modélisation numérique de l’ARM pour des sites clés des principaux océans. Nous mesurons les âges 14C de micro-échantillons grâce à la source d’ions polyvalente d’AixMICADAS, permettant notamment de dater des foraminifères individuels (Fagault et al. 2019). Cela nous conduit à mieux quantifier l’ARM en évitant, ou en corrigeant, certains biais (Bard & Heaton 2021). Notre projet est focalisé sur la dernière déglaciation et les changements climatiques brusques tels que les événements de Heinrich et de Dansgaard-Oeschger, dont le rôle sur le cycle du carbone est encore mal compris.
Pollution atmosphérique régionale
Le radiocarbone est le meilleur traceur pour distinguer et quantifier les produits issus de l’utilisation des carbones fossiles des autres sources carbonées telles que la combustion de biomasse et les émissions naturelles d’origines biogènes. La mesure directe du 14C sur les particules fines de filtres d’aérosols atmosphériques est réalisée à l’aide de l’analyseur élémentaire couplé à la source d’ions à CO2 gazeux d’AixMICADAS qui permet d’analyser des échantillons de quelques microgrammes de carbone (Bard et al. 2015, Tuna et al. 2018). Cette technique a été appliquée à des aérosols de la vallée de Chamonix (Bonvalot et al. 2016) et de Fos-sur-Mer (Bonvalot et al. 2019). Nos études ont démontré l’intérêt de la combinaison du 14C avec d’autres traceurs moléculaires diagnostiques des sources pour quantifier le fort impact du brûlage de la biomasse, notamment en hiver, et de le dissocier des autres contributions comme le trafic automobile ou les émissions biogéniques. Nous étudions aussi les flux de particules et composés pyrogéniques vers la Méditerranée (projet ANR FIRETRAC). La détermination des origines des composés séparés par chromatographie liquide est réalisée grâce à la mesure du 14C de micro-échantillons (Nouara et al. 2019).
Datations en archéologie et en préhistoire
La datation de la cellulose du bois, optimisée pour nos travaux sur la calibration du radiocarbone, permet de dater précisément des sites archéologiques grâce à la technique de wiggle-matching combinant le 14C avec la dendrochronologie (projet ARKAIA Chrono-Ignis). Nos premières applications concernent des sites de l’Âge du Bronze en Italie (Capano et al. 2020b) et de la période sassanide en Iran (Djamali et al. 2022).
Pour les objets les plus rares et les plus précieux de l’archéologie, notamment les restes humains, les outils et sculptures en os, la destruction des échantillons nécessaires à la datation classique en spectrométrie de masse par accélérateur causerait des dommages irréparables. La source d’ions à CO2 gazeux d’AixMICADAS permet de s’affranchir de cette contrainte grâce à la très petite taille des échantillons (Tuna et al. 2018). Le développement de la datation de collagène purifié à partir d’ossement humains a été mené sous la forme d’une collaboration avec l’Institut Max-Planck d’Anthropologie évolutionniste de Leipzig et la chaire de paléoanthropologie du Collège de France. La première étape a consisté à établir une méthode optimale de synthèse du CO2 à partir du collagène au moyen d’un analyseur élémentaire et d’un piège à zéolite couplé à la source d’ions d’AixMICADAS (Fewlass et al. 2018, 2019a). Cette méthode a été utilisée pour dater des échantillons de collagène purifié à partir de fragments de restes humains provenant de sites célèbres comme la triple sépulture humaine de Dolni Vestonice en République tchèque (Fewlass et al. 2019b), la grotte di Pradis en Italie (Lugli et al. 2022) et la grotte de Bacho Kiro en Bulgarie (Fewlass et al. 2020) pour laquelle les mêmes ossements humains datés par 14C ont fait l’objet d’analyses génétiques et protéomiques (Hublin et al. 2020).
Pour les échantillons très contaminés par du carbone exogène, une méthode plus performante consiste à purifier et dater un des acides aminés principaux du collagène. La séparation de l’hydroxyproline est en cours de développement dans l’unité de géochimie organique.
Références de l’unité du radiocarbone
2023
Heaton TJ, Butzin M, Bard E, Bronk Ramsey C, Köhler P, Hughen KA, Reimer PJ. Marine Radiocarbon calibration in polar regions: A simple approximate approach using Marine20. Radiocarbon, (2023).
Skinner L, Primeau F, Jeltsch-Thömmes A, Joos F, Köhler P, Bard E. Rejuvenating the ocean: ventilation seesaws, CO2 release, and radiocarbon budget closure across the last deglaciation. Communications Earth & Environment (2023).
2022
Heaton TJ, Bard E, Bronk Ramsey C, Butzin M, Hatté C, Hughen KA, Köhler P, and Reimer PJ. A response to community questions on the Marine20 radiocarbon age calibration curve: Marine reservoir ages and the calibration of 14C samples from the oceans. Radiocarbon, DOI:10.1017/RDC.2022.66 (2022).
Lugli F, Nava A, Sorrentino R, Vazzana A, Bortolini E, Oxilia G, Silvestrini S, Nannini N, Bondioli L, Fewlass H, Talamo S, Bard E, Mancini L, Müller W, Romandini M, Benazzi S. Tracing the mobility of a Late Epigravettian (~ 13 ka) male infant from Grotte di Pradis (Northeastern Italian Prealps) at high-temporal resolution. Scientific Reports 12, 8104, 1-13, +6 p. suppl. DOI : 10.1038/s41598-022-12193-6 (2022)
Schimmelpfennig I, Schaefer JM, Lamp J, Godard V, Schwartz R, Bard E, Tuna T, Akçar N, Schlüchter C, Zimmerman S, and ASTER Team: Glacier response to Holocene warmth inferred from in situ 10Be and 14C bedrock analyses in Steingletscher’s forefield (central Swiss Alps), Climate of the Past 18, 23-44, DOI: 10.5194/cp-18-23-2022 (2022).
Skinner LC, Bard E. Radiocarbon as a dating tool and tracer in palaeoceanography. Reviews of Geophysics 60, 1, 1-64, e2020RG000720, DOI: 10.1029/2020RG000720 (2022).
Djamali M, Capano M, Askari A, Faucherre N, Guibal F, Northedge A, Rashidian E, Tuna T, Bard E, An absolute radiocarbon chronology for the World Heritage site of Sarvestan (SW Iran); a late Sasanian heritage in early Islamic era. Archaeometry 64, 545-559, DOI: 10.1111/arcm.12716 (2022).
2021
Bard E, Heaton TJ. On the tuning of plateaus in atmospheric and oceanic 14C records to derive calendar chronologies of deep-sea cores and records of 14C marine reservoir age changes. Climate of the Past 17, 1701-1725, DOI: 10.5194/cp-17-1701-2021 (2021).
Heaton TJ, Bard E, Bronk Ramsey C, Butzin M, Köhler P, Muscheler R, Reimer PJ, Wacker L. Radiocarbon: a key tracer for studying the Earth’s dynamo, climate system, carbon cycle and Sun. Science 374, 707, 1-11, eabd7096, DOI: 10.1126/science.abd7096 (2021).
Young NE, Lesnek AJ, Cuzzone JK, Briner JP, Badgeley JA, Balter-Kennedy A, Graham BL, Cluett A, Lamp JL, Schwartz R, Tuna T, Bard E, Caffee MW, Zimmerman SRH, Schaefer JM. Cosmogenic isotope measurements from recently deglaciated bedrock as a new tool to decipher changes in Greenland Ice Sheet size. Climate of the Past 17, 419-450, DOI: 10.5194/cp-17-419-2021 (2021).
2020
Bard E, Heaton TJ, Talamo S, Kromer B, Reimer RW, Reimer PJ. Extended dilation of the radiocarbon time scale between 40,000 and 48,000 years BP and the overlap between Neanderthals and Homo sapiens. Proceedings of the National Academy of Sciences 117 (35), 21005-21007, +2 p. suppl., DOI: 10.1073/pnas.2012307117 (2020).
Capano C, Martinelli N, Baioni M, Tuna T, Bernabei M, Bard E. Is the dating of short tree-ring series still a challenge? New evidence from the pile dwelling of Lucone di Polpenazze (northern Italy). Journal of Archaeological Sciences 121, 1-12, 105190, DOI:10.1016/j.jas.2020.105190 (2020b).
Wacker L, Scott EM, Bayliss A, Brown D, Bard E, Bollhalder S, Friedrich M, Capano M, Cherkinsky A, Chivall D, Culleton BJ, Dee MW, Friedrich R, Hodgins GWL, Hogg A, Kennett DJ, Knowles TDJ, Kuitems M, Lange TE, Miyake F, Nadeau M-J, Nakamura T, Naysmith JP, Olsen J, Omori T, Petchey F, Philippsen B, Ramsey CB, Prasad GVR, Seiler M, Southon J, Staff R, Tuna T. Findings from an in-depth annual tree ring radiocarbon intercomparison. Radiocarbon 62 (4), 873-882, DOI: 10.1017/RDC.2020.49 (2020).
Heaton TJ, Köhler P, Butzin M, Bard E, Reimer RW, Austin WEN, Bronk Ramsey C, Grootes PM, Hughen KA, Kromer B, Reimer PJ, Adkins JF, Burke A, Cook MS, Olsen J, Skinner LC. Marine20 – the marine radiocarbon age calibration curve (0-55,000 cal BP). Radiocarbon 62 (4), 821-863, DOI: 10.1017/RDC.2020.68 (2020).
Reimer PJ, Austin WEN, Bard E, Bayliss A, Blackwell PG, Bronk Ramsey C, Butzin M, Cheng H, Edwards RL, Friedrich M, Grootes PM, Guilderson TP, Hajdas I, Heaton TJ, Hogg AG, Hughen KA, Kromer B, Manning SW, Muscheler R, Palmer JG, Pearson C, Plicht Jvd, Reimer RW, Richards DA, Scott EM, Southon JR, Turney CSM, Wacker L, Adophi F, Büntgen U, Capano M, Fahrni S, Fogtmann-Schulz A, Friedrich R, Köhler P, Kudsk S, Miyake F, Olsen J, Reinig F, Sakamoto M, Sookdeo A, Talamo S. The IntCal20 Northern Hemisphere radiocarbon calibration curve (0-55 kcal BP). Radiocarbon 62 (4), 725-757, DOI: 10.1017/RDC.2020.41 (2020).
Hublin JJ, Sirakov N, Aldeias V, Bailey S, Bard E, Delvigne V, Endarova E, Fagault Y, Fewlass H, Hajdinjak M, Kromer B, Krumov I, Marreiros J, Martisius N, Paskulin L, Sinet-Mathiot V, Meyer M, Pääbo S, Popov V, Rezek Z, Sirakova S, Skinner MM, Smith GM, Spasov R, Talamo S, Tuna T, Wacker L, Welker F, Wilcke A, Zahariev N, McPherron SP, Tsanova T. Initial Upper Palaeolithic Homo sapiens from Bacho Kiro Cave, Bulgaria. Nature 581, 299-302, + 13 p. suppl., DOI: 10.1038/s41586-020-2259-z (2020).
Fewlass H, Talamo S, Wacker L, Kromer B, Tuna T, Fagault Y, Bard E, McPherron SP, Aldeias V, Maria R, Martisius NL, Paskulin L, Rezek Z, Sinet-Mathiot V, Sirakova S, Smith GM, Spasov R, Welker F, Sirakov N, Tsanova T, Hublin JJ. A 14C chronology for Middle–to–Upper Palaeolithic transition at Bacho Kiro Cave, Bulgaria. Nature Ecology & Evolution 4, 794-801, + 4 p. suppl., DOI: 10.1038/s41559-020-1136-3 (2020).
Milesi VP, Debure M, Marty NCM, Capano M, Jézéquel D, Steefel C, Rouchon V, Albéric P, Bard E, Sarazin G, Guyot F, Virgone A, Gaucher EC, Ader M. Early Diagenesis of Lacustrine Carbonates in Volcanic Settings: The Role of Magmatic CO2 (Lake Dziani Dzaha, Mayotte, Indian Ocean). American Chemical Society Earth and Space Chemistry 4 (3), 363-378, DOI: 10.1021/acsearthspacechem.9b00279 (2020).
Capano M, Miramont C, Shindo L, Guibal F, Marschal C, Kromer B, Tuna T, Bard E. Onset of the Younger Dryas recorded with 14C at annual resolution in French subfossil trees. Radiocarbon 62 (4), 901-918, DOI: 10.1017/RDC.2019.116 (2020a).
2019
Fewlass H, Talamo S, Kromer B, Bard E, Tuna T, Fagault Y, Sponheimer M, Ryder C, Hublin JJ, Perri A, Sázelová S, Svoboda J. Direct radiocarbon dates of mid Upper Palaeolithic human remains from Dolní Věstonice II and Pavlov I, Czech Republic. Journal of Archaeological Science 27, 102000, 1-8, DOI: 10.1016/j.jasrep.2019.102000 (2019b).
Lamp JL, Young NE, Koffman T, Schimmelpfennig I, Tuna T, Bard E, Schaefer JM. Update on the cosmogenic in situ 14C laboratory at the Lamont-Doherty Earth Observatory. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 456, 157-162, DOI: 10.1016/j.nimb.2019.05.064 (2019).
Bonvalot L, Tuna T, Fagault Y, Sylvestre A, Mesbah B, Wortham H, Jaffrezo JL, Marchand N, Bard E. Source apportionment of carbonaceous aerosols in the vicinity of a Mediterranean industrial harbor: A coupled approach based on radiocarbon and molecular tracers. Atmospheric Environment 212, 250-261, DOI: 10.1016/j.atmosenv.2019.04.008 (2019).
Fewlass H, Tuna T, Fagault Y, Hublin JJ, Kromer B, Bard E, Talamo S. Pretreatment and gaseous radiocarbon dating of 40–100 mg archaeological bone, Scientific Reports 9, 5342, 1-11, + 4 p. suppl., DOI: 10.1038/s41598-019-41557-8 (2019a).
Nouara A, Panagiotopoulos C, Balesdent J, Violakia K, Bard E, Fagault Y, Repeta DJ, Sempéré R. Liquid chromatographic isolation of individual carbohydrates from environmental matrices for stable carbon analysis and radiocarbon dating. Analytica Chimica Acta 1067, 137-146, DOI: 10.1016/j.aca.2019.03.028 (2019).
Fagault Y, Tuna T, Rostek F, Bard E. Radiocarbon dating small carbonate samples with the gas ion source of AixMICADAS. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 455, 276-283, DOI: 10.1016/j.nimb.2018.11.018 (2019).
2018
Tuna T, Fagault Y, Bonvalot L, Capano C, Bard E. Development of small CO2 gas measurements with AixMICADAS. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 437, 93-97, DOI: 10.1016/j.nimb.2018.09.012 (2018).
Capano M, Miramont C, Guibal F, Kromer B, Tuna T, Fagault Y, Bard E. Wood 14C dating with AixMICADAS: methods and application to tree-ring sequences from the Younger Dryas event in the southern French Alps. Radiocarbon 60, 51-74, DOI: 10.1017/RDC.2017.83 (2018).
Fewlass H, Talamo S, Tuna T, Fagault Y, Kromer B, Hoffman H, Pangrazzi C, Hublin JJ, Bard E. Size matters: radiocarbon dates on microgram collagen samples back to the Palaeolithic with AixMICADAS and its gas ion source. Radiocarbon, 60 (2), 425-439, DOI: 10.1017/RDC.2017.98 (2018).
2017
Sepulcre S, Durand N, Bard E. Large 14C age offsets between the fine fraction and coexisting planktonic foraminifera in shallow Caribbean sediments. Quaternary Geochronology 38, 61-74, DOI: 10.1016/j.quageo.2016.12.002 (2017).
2016
Bonvalot L, Tuna T, Fagault Y, Jaffrezo JL, Jacob V, Chevrier F, Bard E. Estimating contributions from biomass burning, fossil fuel combustion, and biogenic carbon to carbonaceous aerosols in the Valley of Chamonix: a dual approach based on radiocarbon and levoglucosan. Atmospheric Chemistry and Physics 16, 1-20, DOI: 10.5194/acp-16-13753-2016 (2016).
2015
Bard E, Tuna T, Fagault Y, Bonvalot L, Wacker L, Fahrni S, Synal H-A. AixMICADAS, the accelerator mass spectrometer dedicated to 14C recently installed in Aix-en-Provence, France. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 361, 80-86, DOI: 10.1016/j.nimb.2015.01.075 (2015).