D’anciens cristaux de zircon offrent un aperçu de l’histoire primitive de la Terre

Le mystère des origines et les questions en suspens

Notre planète a achevé sa formation il y a 4,55 milliards d’années. Cet âge lointain soulève une multitude d’interrogations sur les premiers âges terrestres. Quand la tectonique des plaques a-t-elle commencé à modeler la surface ? À quel moment précis le manteau de la Terre s’est-il mis à circuler vigoureusement, amorçant le processus que l’on nomme convection ? À quoi ressemblait véritablement le globe au tout début de son existence ? Puisqu’il ne reste plus aucune archive rocheuse intacte de ces premières années de la Terre, les chercheurs se tournent vers d’autres pistes d’investigation.

Une récente étude menée par le California Institute of Technology (Caltech) apporte un nouvel éclairage. Ces travaux sont dirigés par Shane Houchin (MS ’22), un étudiant diplômé effectuant ses recherches au sein du laboratoire de François Tissot, professeur de géochimie et chercheur au Heritage Medical Research Institute. Publiée dans la revue scientifique Proceedings of the National Academy of Sciences, l’investigation met en lumière deux conclusions principales : la Terre primitive a subi une oxydation rapide plus tôt qu’on ne le croyait, et la tectonique des plaques a débuté il y a au moins 3,35 milliards d’années. Cette dernière donnée constitue un repère décisif dans un débat longuement discuté parmi les géoscientifiques.

Les zircons, d’inestimables capsules temporelles

Pour remonter le temps, l’équipe s’est appuyée sur l’analyse de minéraux particuliers appelés zircons. Ces éléments offrent l’avantage d’être particulièrement résilients face aux altérations physiques et chimiques causées par le temps. Ils conservent par conséquent un enregistrement chimique extrêmement précis des conditions qui prévalaient à la seconde même de leur formation. Les cristaux les plus anciens que l’on connaisse affichent l’âge vertigineux de 4,4 milliards d’années.

Leur processus de naissance explique cette capacité de mémorisation. Ces cristaux se forment au cœur du magma chaud et adoptent des structures de cristallisation qui se superposent à la manière des cernes de croissance des arbres. Les échantillons les plus anciens, qui livrent la meilleure documentation sur la chimie du magma de la Terre primitive, se trouvent en grande partie dans la région des Jack Hills, située en Australie-Occidentale. Leurs informations remontent ainsi à plus de 4 milliards d’années.

Au cours de leur longue existence, certaines des roches contenant ces grains de zircon ont traversé un épisode de métamorphisme. Une nouvelle génération de zircon a alors cristallisé directement sur les bords des grains existants, dessinant des anneaux distincts. Bien que ces cristaux mesurent seulement un quart de millimètre de long, les techniques d’analyse avancées actuelles permettent de mesurer précisément la présence d’éléments traces enfermés dans le cœur et sur les bords, à l’image de l’uranium et du titane. Ces mesures donnent des indices précieux sur l’environnement de l’époque. « À défaut de machine à voyager dans le temps, le zircon est le seul moyen d’étudier des échantillons de la Terre primitive, » résume François Tissot.

La fin du mythe de la Terre infernale

Durant des décennies, les premiers millions d’années de la vie de la planète ont été imaginés comme un espace proprement infernal. L’imagerie scientifique classique dépeignait une atmosphère d’un rouge sang, obscurcie par la fumée et les cendres projetées en continu par des volcans particulièrement actifs, couvrant une surface totalement sèche et dépourvue d’oxygène. Cette période reculée, que l’on nomme l’Hadéen, était considérée par les spécialistes comme un environnement fortement « réduit », par opposition à un état « oxydé ».

Ces termes d’oxydation et de réduction correspondent à deux mesures opposées de la manière dont les électrons sont disponibles pour activer des réactions chimiques. L’évaluation de l’état de réduction et d’oxydation d’un échantillon, souvent résumé par l’abréviation d’état « redox », est utilisée pour déduire la quantité d’oxygène présente dans un environnement donné. Dans un contexte purement géologique, cette notion est couramment associée à la quantité d’eau disponible durant la cristallisation du magma. Un environnement fortement réduit se révélerait très sec, tandis qu’une oxydation plus marquée indiquerait au contraire une abondance d’eau.

L’équipe du Caltech a observé l’uranium enfermé dans les bordures des zircons, dont la formation remonte à 4,1 milliards d’années. Les chercheurs ont découvert que cet élément était beaucoup plus oxydé que prévu. Cette observation pointe vers une conclusion logique : si la Terre a effectivement commencé comme un environnement hautement réduit, un événement précis a dû survenir pour oxyder rapidement la planète, tout au plus quelques centaines de millions d’années après sa formation initiale.

Les scénarios de l’oxydation et la présence d’eau

Pour expliquer cette transition chimique inattendue, les scientifiques explorent une variété d’options. Parmi les explications figure l’apport massif d’eau provoqué par des collisions de comètes à la surface du globe. Les chercheurs mentionnent un processus de dégazage, de même que le démarrage précoce d’une convection efficace au sein du manteau terrestre qui aurait pu s’initier bien plus tôt que prévu. Une dernière hypothèse stipule tout simplement que la planète n’a pas débuté dans un état aussi réduit que l’imaginaient les anciens modèles.

Cette nouvelle compréhension bouscule en profondeur la vision des temps géologiques originels. Les relevés ouvrent la porte à un changement de paradigme. « Ces nouvelles données aident à défaire l’image de la Terre comme un endroit très réduit, infernal et sec à cette époque, » explique Shane Houchin à propos de la portée de ses recherches.

L’étudiant précise ensuite la chronologie dictée par ces nouveaux éléments analytiques. « Au lieu de cela, la croûte semble être oxydée seulement 350 millions d’années après sa formation, ce qui indique qu’il y avait peut-être déjà beaucoup d’eau présente à ce moment-là, » ajoute le chercheur.

La tectonique des plaques, le moteur de l’évolution

Outre ces données sur l’oxydation, l’équipe a réalisé une découverte parallèle portant sur le voyage des cristaux. Les zircons analysés ont nécessairement traversé un environnement caractérisé par une pression élevée couplée à une température relativement basse suite à leur formation. Cette configuration environnementale suggère l’existence d’une zone de subduction. Un large fragment de la croûte terrestre a donc transporté ces zircons depuis la surface jusqu’aux profondeurs de la planète, les exposant ainsi à ces fortes pressions.

L’ensemble de ces indices indique que la tectonique des plaques était très probablement active il y a au moins 3,35 milliards d’années. La tectonique des plaques procure l’environnement dynamique et énergétique essentiel à l’évolution de la vie. L’estimation du début de ce processus a nourri un débat intense parmi les scientifiques, ce qui fait de cette étude un nouveau point de données crucial concernant les premières heures de la Terre.

La recherche constitue la première application d’une technique de pointe nommée oxybarométrie U XANES, pour X-ray Absorption Near Edge Structure. Elle permet de déterminer l’état redox de la Terre primitive, en examinant spécifiquement les états d’oxydation de l’uranium dans les anciens cristaux de zircon. Pour réaliser ces manipulations complexes, l’équipe a collaboré avec des chercheurs de l’Advanced Photon Source située au sein du Laboratoire national d’Argonne, utilisant de ce fait leurs installations de synchrotron. L’ambition de Shane Houchin et de son équipe consiste désormais à appliquer la méthode U XANES pour examiner des centaines d’autres grains de zircon datant de périodes distinctes de l’histoire terrestre.

Selon la source : phys.org