En Terminale spécialité SVT

Dans le cadre de l’enseignement explicite : la datation radiométrique d’une roche par la méthode rubidium-strontium

Elément père, élément fils, radioactif, radiogénique, chronomètre, désintégration, droite isochrone, demi-vie, calculs

En 1860, Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff découvrent le rubidium, à l’aide du spectroscope qu’ils ont inventé. La découverte des isotopes du rubidium et du strontium et de leurs propriétés permit, par la suite, la mise au point de la méthode de datation radiométrique rubidium-strontium. Dans cet article, on propose de recourir à l’enseignement explicite pour favoriser la compréhension et l’appropriation de cette méthode de datation qui, d’ordinaire, ne fait pas florès auprès des élèves.

Mis à jour le mercredi 28 janvier 2026 , par Anne Florimond

L’ENSEIGNEMENT EXPLICITE : UN LEVIER POUR LES APPRENTISSAGES EN SVT

Professeures

Anne FLORIMOND et Isabelle METEYER, au lycée Richelieu (92)
 
« On s’est rendu compte en découvrant la radioactivité naturelle que certains éléments se transforment de façon spontanée et régulière en d’autres éléments, ou en une autre version d’eux-mêmes, en émettant des rayonnements radioactifs mesurables et utilisables à des fins géochronologiques. Un élément père se désintègre alors en un élément fils selon un rythme qui lui est propre » .
Citation de Jean-Jacques Bahain dans le journal du CNRS (https://lejournal.cnrs.fr/articles/datations-relatives-et-absolues) le 18.08.25

Caractéristiques de la séquence

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné Terminale spécialité SVT
Partie du programme La chronologie absolue
PLACE DANS LA PROGRESSION Les seuls prérequis utiles relevant de l’enseignement scientifique de première, il est tout à fait possible de démarrer le programme de géologie de Terminale avec l’étude de cette méthode de datation Rb-Sr, bien qu’elle soit plus complexe que la datation K-Ar ou U-Pb
MOTIVATION EN FAVEUR DE L’ENSEIGNEMENT EXPLICITE Alors que la méthode de datation 14C (vue en enseignement scientifique de première) est assez simple à aborder (il y a une seule inconnue : le nombre de noyaux de carbone 14 présents dans l’échantillon que l’on souhaite dater), la datation radiométrique rubidium-strontium s’avère plus complexe puisque les quantités initiales d’isotope père (87Rb) et d’isotope fils (87Sr) sont inconnues. On est donc sur l’apprentissage de notions nouvelles ce qui rend particulièrement intéressant le recours à l’enseignement explicite. D’autre part, un certain nombre d’élèves ne font plus que très peu de mathématiques, or les maths sont assez présentes lors de la mise en œuvre de la méthode rubidium-strontium. Il semble donc important, au moins pour ces élèves d’expliciter la partie maths.
PROBLÈME À RÉSOUDRE

On veut dater des roches en exploitant les mesures des quantités des isotopes du rubidium et du strontium qu’elles renferment

NOTIONS, SAVOIR-FAIRE, COMPETENCES
Notions
  • Extrait du programme de spécialité SVT de Terminale  : La désintégration radioactive est un phénomène continu et irréversible ; la demi-vie d’un élément radioactif est caractéristique de cet élément.
    La quantification de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique permet de déterminer l’âge des minéraux constitutifs d’une roche.
    Différents chronomètres sont classiquement utilisés en géologie. Ils se distinguent par la période de l’élément père. Le choix du chronomètre dépend de l’âge supposé de l’objet à dater.
    Les datations sont effectuées sur des roches magmatiques ou métamorphiques, en utilisant les roches totales ou leurs minéraux isolés.
    L’âge obtenu est celui de la fermeture du système considéré (minéral ou roche). Cette fermeture correspond à l’arrêt de tout échange entre le système considéré et l’environnement (par exemple quand un cristal solide se forme à partir d’un magma liquide).
Savoir-faire
  • Mobiliser les bases physiques de la désintégration radioactive.
  • Déterminer l’âge des minéraux constitutifs d’une roche à partir de la quantification de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique.
Compétences
  • Pratiquer des démarches scientifiques
  • Pratiquer des langages
Cadre de référence des compétences numériques (CRCN) Domaine 1 : Informations et données

  • Gérer des données
  • Traiter des données

ACTIVITÉS

Durée totale ouverture modelage pratique guidée pratique autonomeclôture
4 heures 30 40 minutes
(en cours)		 1 heure 15
(en cours)		 55 minutes
(en TP)		 55 minutes
(en TP)		 30 minutes
(en cours)

Déroulement global de la séquence

 

Déroulement détaillé de la séquence

Ouverture

  • L’accroche
    En 1860, Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff découvrent deux métaux alcalins, le césium et le rubidium, à l’aide du spectroscope qu’ils ont inventé. Le rubidium est présent à l’état de traces dans de nombreux minéraux. Seuls deux de ses isotopes sont présents dans la nature : le 85Rb, seul isotope stable du rubidium et le 87Rb qui est radioactif. La désintégration de l’élément père 87Rb donne son élément fils, le 87Sr, qui est dit radiogénique.
    Cette découverte des isotopes du rubidium et du strontium et de leurs propriétés permit, par la suite, la mise au point de la méthode de datation dite rubidium-strontium, que l’on se propose ici d’étudier.
  • L’objectif d’apprentissage et la tâche scolaire permettant d’y travailler
    On souhaite faire comprendre la méthode de la droite isochrone et son lien avec la datation d’une roche. il s’agira donc d’expliquer pourquoi et comment la mesure de l’élément père radioactif et de l’élément fils radiogénique dans les minéraux d’une roche permet de déterminer l’âge de ces minéraux. En prenant comme fil conducteur un granite sur lequel des mesures de rapports isotopiques ont été faites en vue de déterminer son âge absolu, le professeur va démontrer les bases scientifiques de la datation radiométrique rubidium-strontium et la mettre en œuvre pour trouver l’âge de ce granite. Les élèves seront ensuite amenés à reproduire la méthode pour d’autres exemples de roches à dater.
  • La réactivation des connaissances nécessaires pour appréhender le nouvel apprentissage
    Différentes notions vues dans la partie 1.1 "Un niveau d’organisation : les éléments chimiques" du programme d’enseignement scientifique de Première (élément chimique, isotope, noyau instable, noyau radioactif, désintégration aléatoire, demi-vie, décroissance radioactive, datation) seront nécessaires. Pour les réactiver, on propose de réviser la datation radiométrique au carbone 14 avec un graphique du rapport P/P0 du nombre d’atomes 14C résiduel sur le nombre d’atomes 14C présent au moment de la mort en fonction du temps. Les questions associées permettent de réviser les notions d’isotope père, d’isotope fils et de demi-vie et, par lecture graphique, l’obtention de l’âge d’un matériau.
Documents pour la réactivation des connaissances préalables pertinentes Exemples de questions
Datation par le carbone 14 (source : sujet zéro des ex-E3C)
« L’isotope 14C de l’élément carbone se désintègre en azote 14N et se régénère régulièrement en haute atmosphère à partir de l’azote de l’air : il se retrouve donc en proportion constante dans tous les milieux et tous les êtres vivants. Lorsqu’un être vivant meurt, son métabolisme s’interrompt et son carbone n’est plus renouvelé. En raison de la désintégration radioactive, pour un échantillon donné, le rapport P/P0 du nombre d’atomes 14C résiduel (P) présent au moment de la mort (P0) décroît au cours du temps.
Deux ensembles de mesures ont été réalisées pour la grotte Chauvet :
– le premier, réalisé sur des fragments de charbon de bois prélevés sur les peintures, fournit des valeurs P/P0 comprises entre 1,5% et 2,5% ;
– le second ensemble de mesures, réalisé à partir des prélèvements sur les mouchages1 de torches, fournit des valeurs comprises entre 3,5% et 4,5% »
1Un mouchage est un frottement de la torche sur les parois de la grotte pour retirer la partie carbonisée qui asphyxie le flamme.
Document pour la résolution graphique : Rapport P/P0 du nombre d’atomes 14C résiduel sur le nombre d’atomes 14C présent au moment de la mort en fonction du temps


L’encart permet de mieux visualiser la période entre 20 000 et 40 000 ans
  • identifier l’élément père et l’élément fils ;
  • rappeler la définition de la demi-vie ;
  • en exploitant le graphique, déterminer la demi-vie du carbone 14 ;
  • dater à l’aide du graphique l’âge des mouchages de torches et celui des traits réalisés à l’aide de charbons de bois ;
  • expliquer pourquoi la méthode de datation au carbone 14 ne peut pas convenir pour dater des objets très anciens.

 

Modelage

 
Un corpus de documents ressources , qui aura son utilité au fil du modelage, est fourni aux élèves :

Documents ressources pour la phase de modelage

 
Lors de du modelage, la tâche réalisée devant les élèves va mobiliser les habiletés (=sous-tâches) suivantes :

  • Simuler le vieillissement d’échantillons contenant du 87Rb et du 87Sr pour s’approprier la méthode de datation Rb-Sr
  • Etablir la relation mathématique qui unit la pente de la droite isochrone et l’âge de la roche
  • Construire la droite isochrone de la roche que l’on souhaite dater (granite de Blond)
  • Calculer l’âge du granite de Blond

1 - Une simulation "sur papier » du vieillissement d’échantillons d’une roche que l’on souhaite dater par la méthode rubidium-strontium

Trame pour l’élève : simulation du vieillissement d’échantillons contenant du rubidium et du strontium

 

Trame pour le professeur avec indications des interactions et de l’étayage

 
En complément de cette phase de construction "artisanale" d’une droite isochrone, il est possible de se référer aux graphiques ci-dessous, extraits d’un article scientifique (https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/comportement-rb-sr.xml), et de les commenter :

Situation à t=0 au moment où les minéraux de la roche cristallisent (= fermeture du système)

Explicitations
– Les rapports isotopiques 87Sr/86Sr sont identiques à t= 0 car les échantillons de roches issus du refroidissement d’un même magma incorporent en même proportion les isotopes 86Sr et 87Sr (ceci parce qu’il n’y a pas de fractionnement isotopique pour les éléments de masse atomique importante)
Remarque : si le chapitre sur les climats a déjà été traité, évoquer la différence avec les isotopes de l’oxygène (18O et 16O) pour lesquels il y a, par contre, fractionnement isotopique
– En revanche, il n’y a aucune raison pour que les rapports isotopiques 87Rb/86Sr soient les mêmes à t= 0, car il s’agit du rapport de deux éléments chimiques différents
– Nécessité de l’isotope de référence 86Sr, faute de quoi les points ne seraient pas alignés au départ !


Situation au temps t

Explicitation
Les points de la droite isochrone restent alignés car la vitesse de désintégration du 87Rb est constante

2 - Le lien mathématique entre la pente de la droite isochrone et l’âge de la roche
On indique à ce moment aux élèves que les rapports isotopiques 87Sr/86Sr et 87Rb/86Sr sont liés par la formule suivante (donnée par les physiciens et découlant de la loi de décroissance radioactive d’une population de noyaux) :
(87Sr/86Sr) = (eλt -1)(87Rb/86Sr) + (87Sr/86Sr)initial

Avec λ = constante de désintégration (= constante radioactive)
On peut mettre en parallèle cette relation et l’équation d’une droite :

Association des formulations permettant de relier le temps et le coefficient directeur de la droite isochrone

Le coefficient directeur « a » de la droite isochrone vaut donc (eλt – 1).
De l’expression a = eλt – 1 on tire t = [ln (1+a)]/ λ.

3 - La construction de la droite isochrone du granite de Blond
Si les élèves sont venus avec leur propre ordinateur, ils peuvent exécuter les actions montrées par le professeur avec les mesures effectuées sur des échantillons du granite de Blond.

Rapports isotopiques mesurés dans différents échantillons du granite de Blond

 
Le traitement des données avec le tableur-grapheur permet de construire la droite isochrone du granite de Blond et d’obtenir son équation :

Droite isochrone du granite de Blond

 
4 - Le calcul de l’âge du granite de Blond
On vient de déterminer que le coefficient directeur de la droite isochrone du granite de Blond est égal à 0,0042.
Sachant que t = [ln (1+a)]/ λ (avec 1,42 10-11 an-1), il reste à saisir la formule de calcul de l’âge avec le tableur, ce qui permet de déterminer un âge de 295 Ma pour le granite de Blond.

 

Pratique guidée

 
On s’intéresse à d’autres exemples de roches à dater avec le couple rubidium-strontium. Le travail proposé est réalisé par binômes, en enseignement réciproque. Les élèves ont le choix entre deux études de cas : la datation des laves du grand canyon OU la datation de granites du Massif Central.

Qui ? Sous-tâche à réaliser
Les deux élèves, ensemble Choisissent une seule des deux études de cas. Justifient et détaillent le protocole.
L’élève 1 Recherche dans la lame mince un minéral prouvant que la datation Rb-Sr est possible ; justifie ce choix
L’élève 2 Construit la droite isochrone de l’une des roches et détermine son âge
L’élève 1 Construit la droite isochrone de l’autre roche et détermine son âge
L’élève 2 Vérifie que les âges sont exprimés en unités géologiques (Ga, Ma) et donne la réponse à la problématique
Enoncé des études (au choix : laves du grand canyon OU granites du Massif Central) proposées aux élèves lors de la pratique guidée
rapports isotopiques à traiter pour le cas des laves du grand canyon
rapports isotopiques à traiter pour le cas des granites du Massif Central

Focus sur le rôle que peut jouer l’enseignant pendant cette étape de pratique guidée :
  • Pour vérifier la compréhension des élèves, le professeur circule parmi les élèves pour les questionner : « pourquoi choisis-tu ce minéral ? » ; « que vas-tu faire avec ces rapports isotopiques et pour quelle raison ? ».
  • Les feedback ou étayages se font lors des interactions orales :
    – on insiste sur la présence de tel ou tel élément chimique dans un minéral, le rendant propice à la datation radiométrique Rb-Sr.
    – on insiste, en faisant référence à l’horizontalité de la droite théorique à t=0 (vue lors du modelage !), sur ce qui doit être placé en abscisse (87Rb/86Sr) et en ordonnée (87Sr/86Sr) lors de la construction de la droite isochrone.
  • Pour vérifier qu’un élève est prêt à passer en pratique autonome, le professeur s’assure de la bonne réalisation des activités pratiques des binômes : repérage d’un minéral d’intérêt dans la lame mince, construction de deux droites isochrones et calcul de deux âges avec le tableur-grapheur.

 

Pratique autonome

 
Il s’agit à présent de travaux de groupes. Les élèves préparent la résolution, qui pourra faire l’objet d’un oral de groupe au cours suivant. Ils ont à nouveau le choix entre deux études :

  • Première possibilité : l’âge des granites bretons
    Il s’agit d’un exercice type bac ("exercice 2") qui exploite la méthode de la droite isochrone SANS CALCULATRICE et permet aussi un travail sur les incertitudes.
    Enoncé 1 (granites bretons) proposé aux élèves lors de la pratique autonome
  • Deuxième possibilité : les roches de Baltimore : des âges contradictoires ?
    Cette activité mêle des documents et des traitements de mesures effectuées sur des roches totales et sur leurs minéraux constitutifs dans le but d’expliquer les différences d’âges obtenus.
    Enoncé 2 (gneiss de Baltimore) proposé aux élèves lors de la pratique autonome
    rapports isotopiques à traiter pour les roches de Baltimore

Focus sur les possibilités d’intervention l’enseignant pendant cette étape de pratique autonome :
  • Pour l’exercice bac sur l’âge des granites bretons :
    Lors d’interactions orales avec les élèves :
    – insister sur l’association entre la formulation mathématique de 87Sr/86Sr en fonction de 87Rb/86Sr (donnée par l’énoncé) et l’équation (de type y = ax+b) de la droite isochrone pour retrouver la formule (démontrée lors du modelage) qui unit le coefficient directeur de la droite isochrone et l’âge de la roche.
    – questionner à propos de la manière de calculer le coefficient directeur d’une droite à partir de deux points lui appartenant (calcul du rapport (YB-YA)/(XB - XA) abordé dans le programme de mathématiques de Seconde ...)
  • Pour les gneiss de Baltimore :
    Lors d’interactions orales avec les élèves, insister sur la réouverture possible du système (remise à zéro du chronomètre), pour certains minéraux, lorsqu’un épisode de métamorphisme affecte une roche.

 

Clôture

  • Les essentiels à retenir
    Notions :
    • Avec la méthode de datation Rb-Sr, comme avec toute méthode de datation radiométrique, on veut calculer la durée t écoulée entre la fermeture du système (arrêt de tout échange entre le système considéré et l’environnement) et l’actuel. Cette durée donne l’âge de la roche.
    • Les quantités initiales de l’élément père 87Rb et de de l’élément fils 87Sr sont inconnues. Par contre, les rapports initiaux 87Sr/86Sr sont les mêmes pour tous les minéraux d’une roche (ou bien toutes les roches issues d’un même magma). Sur un graphique représentant 87Sr/86Sr = f(87Rb/86Sr) ils forment une droite théorique initiale, parallèle à l’axe des abscisses.
    • Au temps t, on mesure les rapports isotopiques 87Rb/886Sr et 87Sr/86Sr dans plusieurs échantillons de même origine (minéraux d’une même roche ou bien roches totales).
    • La vitesse de désintégration du rubidium étant constante, lors du vieillissement des échantillons les divers rapports isotopiques 87Sr/86Sr en fonction de 87Rb/86Sr restent alignés sur une droite isochrone d’équation générale y = ax +b.
    • La droite isochrone est ainsi nommée car elle relie des échantillons de même âge. Son coefficient directeur a permet d’obtenir l’âge de la roche selon la formule t = ln(1+a)/λ.
    • Du fait de la demi-vie importante du rubidium 87, on ne peut dater par cette méthode que des objets relativement anciens, âgés de plus de 100 Ma.
    Méthode :
    -Argumentation autour de la possibilité de dater une roche à partir de la connaissance de sa composition minéralogique.
    – Calcul de l’âge absolu d’une roche à l’aide du traitement de mesures de rapports isotopiques de ses minéraux constitutifs.
  • Prochaine séance
    Des roches pouvant héberger d’autres chronomètres que le rubidium et le strontium, on s’intéressera à la datation radiométrique avec les couples potassium-argon et uranium-plomb. De plus, des roches récentes ne peuvent pas être datées par la méthode Rb-Sr. Il est donc intéressant de se pencher sur d’autres méthodes de datation radiométrique.
  • Et plus tard ...
    Une autre utilisation des isotopes sera vue, celle des isotopes de l’oxygène, dont la mesure permet de reconstituer des variations climatiques. L’objectif à long terme est traiter cet exemple de synthèse argumentée (exercice 1 bac) :
Les isotopes, marqueurs du temps et du climat
Dans une roche ou dans la glace, les quantités de différents isotopes d’un élément donné sont accessibles par analyse géochimique.
Expliquez comment l’analyse quantitative des isotopes est utilisée pour l’étude du passé géologique de notre planète.


Source : https://svt.ac-besancon.fr/bac-general-spe-svt-2024-emirats-arabes-unis-sujet-1) :

  • Travail à faire pour réviser la séance (= pour s’assurer de la consolidation)
Enoncé du QCM et du petit exercice pour réviser la séance

 

Analyse et évaluation du dispositif

Ce qui a bien fonctionné La pratique guidée s’est bien déroulée (bonne implication des élèves et bonne compréhension de l’activité proposée) malgré une consommation importante de "temps de travail" liée aux nombreuse tâches à réaliser : finalisation de la stratégie, recherche d’un minéral d’intérêt au microscope polarisant, construction de deux droites isochrones et réalisation de deux calculs d’âges.
Lors de la pratique autonome, pour les groupes ayant choisi les roches de Baltimore, grande aisance dans le traitement numérique des données : peut-être parce que les élèves avaient déjà à leur actif la construction de trois droites isochrones (celle du granite de Blond et celles construites lors de les deux de la pratique guidée) ? Cette observation est de bon augure pour l’ECE 😊 !
Ce qui a moins bien fonctionné et pourquoi D’entrée de jeu, en ouverture, les élèves se sont montrés peu réactifs autour du document de réactivation des connaissances.
La phase du modelage où l’on simule le vieillissement des échantillons, prévue pour stimuler les élèves, a mis nombre d’entre eux en difficulté.
Dans le suite du modelage, la démonstration mathématique du lien entre "a" (coefficient directeur de la droite isochrone) et "t" (âge des échantillons donc de la roche) ne semble pas avoir motivé les élèves, peut-être par manque de bases mathématiques sous-jacentes (le lien entre la fonction logarithme népérien et la fonction exponentielle n’a pas forcément déjà été abordé en mathématiques pour ceux qui suivent la spécialité mathématiques). Pour finir, l’exercice sur les granites bretons, proposé en pratique autonome, aurait du permettre de remobiliser ladite démonstration mathématique. Hélas, ce feed-back a échappé aux élèves ayant choisi cet exercice.
Les points à améliorer Demander aux élèves de réviser leur cours d’enseignement scientifique de première sur la désintégration radioactive (dans la partie 1.1 - Un niveau d’organisation : les éléments chimiques ) en amont de la première séance, pour rendre l’ouverture plus dynamique.
De même, leur donner à travailler les questions du document de réactivation des connaissances avant la première séance.
Enfin, donner à lire à l’avance le corpus de documents ressources (plus particulièrement le texte du paragraphe 2 : " Le couple rubidium-strontium") pourrait permettre d’obtenir une meilleure interaction lors du modelage. Il serait même intéressant de proposer, juste avant l’activité sur la simulation sur papier du vieillissement d’échantillons, un QCM de vérification de la connaissance des propriétés (stable ? instable ? radioactif ? radiogénique ?) des trois isotopes (87Rb, 87Sr et 86Sr) présents dans les échantillons.

LIENS CONNEXES :

NOTE :
Dans la démarche pédagogique décrite dans cet article, les intentions d’explicitation et de clarification ont parfois amené à aller au-delà des attendus du programme. Il faut donc bien garder en tête que si les chemins empruntés peuvent contribuer à favoriser la compréhension de la méthode Rb-Sr par les élèves, ils ne correspondent pas forcément à des connaissances exigibles (en tous cas, pas à celles attendues pour le baccalauréat).

REMERCIEMENTS À :

  • Céline Minar (professeure de SVT au lycée La Plaine de Neauphle à Trappes) pour la conception et l’autorisation de partage de l’activité documentaire et numérique sur les roches de Baltimore ;
  • Anne-Laure Capitan et Isabelle Digard, IPR référentes, pour la richesse des apports théoriques, les conseils donnés et le cadrage des productions dans le groupe de travail consacré à l’enseignement explicite ;
  • Olivier License et Arnaud Mamique pour le retour de leurs impressions sur le dispositif testé dans leur propre classe.

Voir en ligne : L’ENSEIGNEMENT EXPLICITE : UN LEVIER POUR LES APPRENTISSAGES EN SVT

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