La datation par luminescence stimulée optiquement (LSO ou OSL pour « Optical Stimulated Luminescence dating » pour les anglophones) désigne un groupe de techniques de datation mesurant le délai écoulé depuis le moment où certains minéraux ont pour la dernière fois été exposés au soleil ou à une chaleur importante. C’est l’une des techniques de datation par la thermoluminescence.
Elle permet aux géologues et archéologues et à des experts en Histoire de l'art de dater le moment ou ces minéraux ont été enfouis (ou transformé en ciment ou mortier « historique » par exemple dans le cas d’une construction ou d'une réparation ancienneGoedicke C (2003) Dating historical calcite mortar by blue OSL: results from known age samples, Radiation Measurements, 37, n°4-5, 409-16Goedicke C (2011) Dating Mortar by Optically Stimulated Luminescence : a Feasibility Study, Geochronometria, 38-1, 42-49.Jain M, Thomsen K.J, Botter-Jensen L & Murray A.S (2004). Thermal transfer and apparent-dose distributions in poorly bleached mortar samples: results from single grains and small aliquots of quartz, Radiation Measurements, 38, 101-109Gueli A.M, Stella G, Troja S.O, Burrafato G, Fontana D, Ristuccia G.M & Zuccarello A.R (2010), Historical buildings: luminescence dating of fine grains from bricks and mortar, Il Nuovo Cimento, 125B, 5-6, 719-729. (Il faut cependant que le mortier n’ait pas été exposé à de fortes températures (foyer, cheminée, mortier de four, ou exposition à un incendie)Jin Z.Y., Wu Y., Li G., Fan A., Cheng G & Yan L (2012). Luminescence determination of firing temperature of archaeological pure sand related to ancient Dian bronze casting, China. Quaternary Geochronology, 10, 387-393.Vieillevigne E, Guibert P, Zuccarello A.R & Bechtel F (2006), The potential of optically stimulated luminescence for medieval building, a case study at Termez (Uzbekistan), Radiation Measurements 41, 991-994). Cette méthode (comme toutes les autres) ne vaut qu'une certaine période maximale de temps (variant selon la nature du matériau analysé) et une condition est que les objets étudiés n’aient jamais subi une quelconque irradiation artificielle (rayons X, exposition à des neutrons...) ou source secondaire de forte chaleur avant l'analyse par thermoluminescence LSO.
Cette méthode de datation s’appuie sur deux grands moyens de stimuler (et mesurer) la luminescence, dont : la luminescence stimulée optiquement (LSO) à proprement parler ; une méthode proche, mais basée sur l'infrarouge (dite IRSL pour Infrared stimulated luminescence). C’est une méthode complémentaire à la datation par thermoluminescence (TL) qui nécessite, elle, de chauffer l’échantillon.
La notion Anglophone d’« Optical dating » se réfère à l’OSL et à l’ IRSL mais pas à la TL.
Dans les cas idéaux la précision est très bonneBechtel F & al (1997), Évaluation de l'incertitude de mesure de la dose annuelle en datation par luminescence (TL, OSL) et par RPE : Une expérience d'intercomparaison à la Grotte XVI, Cénac et Saint-Julien, Dordogne| Revue d'Archéométrie, 21, p 21-27. En cas de doute, on cherche à lever les incertitudes de mesures par intercomparaison et intercalibration et en croisant plusieurs méthodes de datation.
Historique En 1663, Sir Robert Boyle observa une lueur en réchauffant un diamant dans l'obscurité au contact de son corps.
Vers 1930 des physiciens du solide (ex : Franz Urbach et Otto Frisch) découvrent et étudient l’existence de « pièges à électrons » dans les cristaux. En effet, dans la nature, tout cristal est imparfait. Il contient des défauts apparus lors de sa formation (lacunes, dislocations, intégration d'atomes étrangers). Quand ce cristal est irradié, les ionisations apparaissant au cœur du matériau, qui conserve alors une partie de l'énergie qu’il a reçue sous forme d’électrons piégés à un niveau d’énergie intermédiaire (dit , faisant que cet électron ne peut contribuer ni à la conductivité électrique, ni aux cortèges de valence des atomes. Plus la radioactivité subie par le cristal aura été importante, plus il contiendra d’électrons prisonniers de ses défauts. Chauffer un tel cristal libère ces électrons ; ils circulent alors librement dans le cristal jusqu’à se recombiner avec un autre type de défaut (mais de charge apparente positive, ce qui rétablit la neutralité électrique du matériau. Cette recombinaison peut s’accompagner de l’émission d’un photon. Le « défaut » qui permet cette recombinaison est dit centre F (pour « centre fluorescent » ou centre coloré ; typiquement il s’agit d’un point du cristal où manquait un anion).
Daniels voit dans la thermoluminescence un potentiel pour la datation de roches éruptives et de céramiques.
Houtermans envisage d’appliquer la technique à des météorites pour étudier leur histoire thermique, mais des intérêts existent aussi en paléoclimatologie, géothermie, dosimétrie...
La thermoluminescence ne peut être utilisée concrètement à des fins de datation (ou d'authentification) qu’avec l’apparition des photomultiplicateurs (1950) qui permettent de mesurer de très faibles quantités de lumière.
Dès les années 1950 la méthode est au point pour certains minéraux ; en 1953 Farrington Daniels, Charles A. Boyd et Donald F. Saunders songent à utiliser la datation par luminescence en archéologie (a priori pour la première fois), pensant que la réponse à la thermoluminescence des éclats de poterie pourrait traduire la dernière incidence du chauffage.
Dans les années 1960 Grögler et al. conduisent des expériences sur la datation des céramiques.
En 1963, Aitken et al. notent que les pièges de type TL dans la calcite pouvaient être blanchis par la lumière du soleil comme par la chaleur et en 1965 Shelkoplyas et Morozov furent les premiers à utiliser la TL pour dater des sédiments non chauffés. Ensuite dans les années 1970 et au début des années 1980 la datation par TL de sédiments d’origine terrestre et marine s’est développée.
En Europe, Aitken (Oxford), Mejdahl (Riso) et de Valladas (Gif-sur-Yvette) développent peu à peu l'analyse par thermoluminescence dans leurs laboratoires respectifs.
Initialement réservée aux céramiquesBouvier A (2011). Production et utilisation des terres cuites architecturales au début du haut Moyen Âge: apport de la chronologie par luminescence (Doctoral dissertation, Bordeaux 3)|résumé, la méthode a acquis des applications dans la datation de toutes sortes d'objets d’anciens et archéologiques, mais aussi pour l'étude des paléoenvironnements naturels (ex : delta du Zerafshan (actuelle oasis de Boukhara en Ouzbékistan<ref>Zink A.J, Porto E, Fouache E & Rante R (2017). Paléocours du delta du Zerafshan (oasis de Boukhara, Ouzbékistan): premières datations par luminescence.' L'Anthropologie, 121(1), 46-54.</ref>) ou humainsHernandez M (2011). « Cadre chronologique des peuplements humains et des paléoenvironnements dans le Sud-Ouest de la France au Pléistocène moyen: apport des datations par luminescence stimulée optiquement » (Doctoral dissertation, Université de Bordeaux 3)|Notice/résumé, mais aussi dans la détection de copies ou de faux ou de réemploi de matériaux anciensGuibert P & Urbanová P (2017). « La mesure du temps par luminescence : datation de réemplois dans la crypte de Saint-Seurin à Bordeaux ». Mélanges de l'École française de Rome-Moyen Âge (129-1)..
Elle s'est étendue aux pierres brûlées (silex) et aux sédiments chauffés.
Dans les années 1980 de nouveaux progrès techniques permettent de dater certains cratères de météoriteDatation par luminescence, fiche LGMT consultée le 04 oct 2017, des sédiments (sables éoliens ou fluvio-glaciaires, lœss) ou d’anciens niveaux marinsLamothe M (2017). « La contribution de la luminescence à la datation des hauts niveaux marins du Pléistocène ». L'Anthropologie, 121(1), 19-24 | résumé.
La fluorescence optiquement stimulée ou OSL pour “Optically stimulated luminescence” ne s’est vraiment développée qu’à partir de 1984 avec les essais de David Huntley et son équipe.
En 1988 Hütt et al. jetaient de leur côté les bases d’une datation par la luminescence stimulée par l’infrarouge (IRSL) des feldspaths de potassium.
En 1994, les principes de base de la datation optique par thermoluminescence ont été élargis pour intégrer de nouveaux matériaux (surfaces de granit, basalte et grès) permettant la datation ou une confirmation de datation peintures préhistoriquesSauvet F (2013) A la recherche du temps perdu. Méthodes de datations en art préhistorique : l'exemple des sites aurignaciens.|Aurignacian Genius : art, technologie et société des premiers hommes modernes en Europe ; Actes du Symposium international, 8-10 avril 2013, NY University, de pétroglyphesHuyge, D., Vandenberghe, D. A., De Dapper, M., Mees, F., Claes, W., & Darnell, J. C. (2012). Premiers témoignages d’un art rupestre pléistocène en Afrique du Nord: confirmation de l’âge des pétroglyphes de Qurta (Égypte) par datation OSL de leur couverture sédimentaire. The Signs of Which Times, 257-268., de menhirsCassen, S., Blain, S., Guibert, P., Querré, G., & Chaigneau, C. (2013). Les pierres dressées de la forêt du Gâvre (Loire-Atlantique): nature et origine des matériaux, premiers éléments de chronologie (14C, OSL). ArchéoSciences, (1), 173-188., ou de roches sculptées provenant de monuments ou d'objets anciens. Ioannis Liritzis est le premier à utiliser cette méthode pour dater des bâtiments anciens, variés.
Cette méthode a par exemple permis de dater des couches anciennes de sable des Landes et d’ainsi préciser d’autres datations ou la palynologieSitzia L, Bertran P & Leroyer C (2012) Faciès et chronologie du Sable des Landes: la coupe de Cestas-Pot-aux-Pins. Quaternaire continental d’Aquitaine: un point sur les travaux récents, Guidebook of the AFEQ-ASF, 122e135..
Principes physiques En stimulant les quartz avec une lumière monochromatique bleue (longueur d’onde dans l’infrarouge pour les feldspaths), les électrons sont libérés et se combineront avec des centres luminogènes entraînant ainsi le signal de luminescenceMercier, N. (2008). Datation des sédiments quaternaires par luminescence stimulée optiquement: un état de la question. Quaternaire. Revue de l'Association française pour l'étude du Quaternaire, 19(3), 15-204..
La datation par la luminescence est l'une des techniques calculant un âge par la formule suivante :
où
âge du minerai (en années)
dose totale de rayonnement absorbé (en Gy)
débit de dose de rayonnement (en Gy/an)
vignette| Déroulement d'une expérience de datation par luminescence stimulée optiquementRichter, D. (2007). Advantages and limitations of thermoluminescence dating of heated flint from Paleolithic sites. Geoarchaeology, 22(6), 671-683. Le débit de dose de rayonnement est une mesure du rythme de rayonnement radioactif qui appliqué au quartz et aux feldspaths de l’échantillon. Il est calculé à partir des mesures des éléments radioactifs (K, U, Th et Rb) à l'intérieur de l'échantillon et du rayonnement provenant des rayons cosmiques. Le débit de dose se situe généralement entre 0,5 et 5 grays/1000 ans (un gray représente l'énergie d'un rayonnement ionisant apportant une énergie d'un joule à un milieu homogène d'une masse d'un kg). Il suffit de laisser des dosimètres (voir la section sur la dosimétrie radiative) dans les sites où le minerai a été prélevé pendant des mois et l’information contenue dans le dosimètre permet de déterminer le débit de dose de rayonnement.