Une image de la Terre à l'Hadéen ? © Nasa
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La tectonique des plaques daterait bien de plus de 4 milliards d'années

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Les chercheurs en géosciences débattent toujours de la question de savoir de quand date la tectonique des plaques, intimement liée à l'origine des continents et des océans. Une étude basée sur la géochimie de l'argon laisse penser qu'elle était déjà active il y a plus de quatre milliards d'années.

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Deux chercheurs en géosciences de l'université de Yale aux États-Unis, Jun Korenaga et son thésard Meng Guo, viennent de publier un article dans Science Advances qui aurait certainement intéressé le regretté volcanologue Haroun Tazieff. Rappelons qu'il avait été un des premiers géologues à comprendre l'importance des phénomènes volcaniques, mais aussi à soutenir la théorie de la dérive des continents alors que celle-ci n'était généralement pas prise encore au sérieux, au début des années 1960. Il a fallu attendre pour cela la révolution de la tectonique des plaques, révolution à laquelle Haroun Tazieff et ses collègues ont participé en explorant la fameuse dépression de l'Afar, en Afrique de l'Est, pour y découvrir un rift océanique exondé. En effet, dans cette région du globe, il est possible de voir et mesurer l'expansion des océans et la fabrication d'une nouvelle croûte océanique.

La théorie de la tectonique des plaques, la forme moderne qu'a prise la théorie de la dérive des continents d’Alfred Wegener à la fin des années 1960 et qui allait définitivement être admise par la communauté scientifique au cours de la décennie suivante, n'a cependant pas encore livré tous ses secrets bien qu'elle soit devenue le cadre incontournable où poser et résoudre la majorité des questions que l'on peut se poser en géosciences. Il est certain que la tectonique des plaques opère depuis au moins 400 millions d'années et qu'elle semble respecter des cycles de fermeture et d'ouverture d'océans avec des plaques continentales qui entrent en collision ou se déchirent, quand il ne s'agit pas aussi de plaques océaniques, selon le fameux cycle de Wilson.

« Toutes les manifestations géologiques se comprennent maintenant très bien dans le contexte de la tectonique des plaques... », entretiens avec Yves Gaudemer, professeur à l'Université Paris Diderot, et des membres de l'équipe. © Chaîne IPGP

Une tectonique des plaques qui se modifie dans le temps

Mais il y a débat entre les géologues qui ne savent pas avec certitude quand la tectonique des plaques est apparue sur Terre ni quand sa forme moderne s'est mise en place, de sorte que l'on ne sait pas très bien non plus de quand date le début de la formation des continents et à quelle vitesse elle s'est faite à ses débuts.

En effet, le contenu en chaleur de la Terre et sa température interne évoluent irréversiblement depuis sa naissance il y a plus de 4,5 milliards d'années. Les processus convectifs dans le manteau de la Terre, il y a plusieurs milliards d'années, ne devaient donc pas être les mêmes.

On est ainsi amené à penser qu'il existait alors un plus grand nombre de plaques, de plus petite taille et animées de mouvements plus rapides. Les laves crachées par les volcans devaient être plus chaudes, de fait nous savons que depuis environ 2,5 milliards d'années, les laves appelées komatiites ne s'épanchent quasiment plus à la surface de la Terre.

On a également des modèles qui nous font penser que les premiers fragments de croûte continentale sont associés à des subductions de plaques océaniques et à des contextes géologiques comme celui du point chaud à l'origine de l'Islande.

La Terre contenait plus de chaleur il y a des milliards d'années qu'aujourd'hui. Plus chaud, le manteau était donc plus convectif. On en a déduit qu'il devait exister à la surface de la Terre un grand nombre de petites plaques. Les continents (en gris) n'occupaient pas encore leur surface actuelle et ils étaient en train de croître. © Société française d’exobiologie

Jun Korenaga et Meng Guo pensent aujourd'hui qu'ils ont des arguments pour préciser de quand date la tectonique des plaques ainsi que l'apparition de surfaces continentales importantes. Pour les deux chercheurs, cette tectonique était déjà active il y a plus de quatre milliards d'années. C'est ce que pensaient déjà certains de leurs collègues comme l'avait expliqué Futura dans le précédent article ci-dessous. Mais les chercheurs vont plus loin en expliquant que selon leurs travaux la masse de la croûte continentale, très enrichie en potassium, aurait déjà atteint plus de  80 % de sa valeur actuelle au début de l'Archéen, donc il y a un peu moins de quatre milliards d'années.

Des continents qui enrichissent l'atmosphère en argon

Pour arriver à ces résultats, Korenaga et Guo ont construit un savant modèle géochimique expliquant les variations de la quantité d'argon 40 dans l'atmosphère de la Terre. C'est un gaz rare assez lourd et qui donc, contrairement à l'hélium et ses isotopes, a du mal à quitter l'atmosphère de la Terre. La quantité d'argon atmosphérique a dû varier au moins en raison de la présence de grandes quantités de l'isotope radioactif de l'argon, le potassium 40, dans la croûte terrestre. Celui-ci se désintègre en effet en donnant de l'argon 40 qui va s'accumuler dans l'atmosphère et se dissoudre partiellement dans l'eau des océans.

Le taux d'argon 40 dans l'atmosphère ancienne peut se mesurer, par exemple et pendant l'archéen, en étudiant sa présence dans des dépôts de quartz hydrothermaux. Les deux chercheurs ont utilisé ce genre de données dans leur modélisation. Ils ont pris en compte également les cycles qui enfouissent à l'intérieur de la Terre des roches contenant de l'argon 40 et qui conduisent ensuite à la réémergence de matériaux qui en contiennent.

Un échantillon de quartz provenant d'une veine hydrothermale contenant de l'or. Il date du Précambrien et provient de la mine d'or Camflo, près de Malartic au Québec. Des gaz nobles, comme l'argon, peuvent se trouver piégés dans des inclusions de fluides primaires contenant un mélange d'eau douce archéenne et de fluide hydrothermal dans ce type de quartz. © James St. John, CC by-sa 2.0

Plus précisément, ils ont intégré dans leur modèle géochimique le cycle par lequel la croûte continentale se forme à partir du manteau et de collision entre plaques, puis est érodée en donnant des sédiments qui sont finalement amenés sous terre toujours par les mouvements des plaques tectoniques - ce cycle se renouvelant et affectant la composition de l'atmosphère en argon.

Ainsi, comme l'explique Korenaga : « En raison des caractéristiques particulières de l'argon, nous pouvons déduire ce qui est arrivé à la Terre solide en étudiant cet argon atmosphérique. Cela en fait une excellente mémoire des événements anciens. ».

Le lac de lave du Nyiragongo est un bon exemple où l'on peut voir un modèle de la tectonique des plaques en réduction et en accéléré. On peut voir ainsi l'ouverture des océans au niveau des dorsales océaniques et des plaques en collision avec l'une plongeant sous l'autre, ce que l'on appelle la subduction. © Futura, Olivier Grundewald

  • On a des raisons de penser que la tectonique des plaques était différente il y a plusieurs milliards d'années, mais on ne sait pas très bien à partir de quand elle a pris son aspect moderne avec des cycles de Wilson pour la formation et la fragmentation d'un supercontinent.
  • Les continents, qui se forment avec de la tectonique des plaques, devaient être des sources d'argon 40 produit par la désintégration radioactive du potassium 40 présent dans la croûte continentale. L'évolution de la composition de l'atmosphère en argon 40 devrait donc refléter celle des continents et de la tectonique des plaques.
  • Un modèle géochimique pour cette évolution de l'argon, nourrie avec les données de l'histoire de la Terre, laisse penser que la tectonique des plaques était déjà active il y a plus de quatre milliards d'années avec d'importantes masses continentales.
Pour en savoir plus

La tectonique des plaques daterait de plus de 4 milliards d'années

Article de Laurent Sacco publié le 28/11/2008

Les géologues s'en doutaient et les preuves s'accumulent, même si la messe n'est pas encore dite : il y a quatre milliards d'années, la Terre de l'Hadéen ressemblait déjà à celle d'aujourd'hui avec ses océans et, surtout, une tectonique des plaques. Une nouvelle analyse de zircons vient donner encore plus de poids à cette hypothèse.

Les plus anciennes traces connues de tectonique des plaques datent de 3,8 milliards d'années. Mais selon la fameuse mémoire des zircons, ce grand mouvement devait déjà être en place il y a plus de quatre milliards d'années, à l'époque baptisée l'Hadéen en référence au dieu des enfers, Hadès.

L'image qui prévaut encore de l'Hadéen est celle d'une ère infernale dominée par un volcanisme et un bombardement météoritique intense et où les océans et une croûte solide ne sont apparus que tardivement. Graduellement, cette image est en train de changer et la possibilité que, moins de 200 millions d'années après sa naissance, la Terre était déjà dotée d'océans, n'est plus considérée comme une absurdité sans fondement parmi les chercheurs en géosciences.

La région des Jack Hills, en Australie, où ont été découverts les plus vieux zircons connus sur Terre. En bas à droite, l'image au microscope d'un zircon vieux de 4,03 milliards d'années. © Nature-B. Watson & M. Hopkins

Mark Harrison et Craig Manning sont des chercheurs à l'Ucla, la célèbre université californienne. Avec Michelle Hopkins, une étudiante de thèse de cette même université, ils ont étudié des échantillons de roches prélevés dans la région des Jack Hills en Australie.

Âgées d'au moins 3,6 milliards d'années, les roches sédimentaires de cette région contiennent des zircons détritiques très anciens dont certains dateraient même d'il y a 4,4 milliards d'années. Les trois chercheurs ont extrait de leurs échantillons plusieurs centaines de zircons dont les âges s'échelonnent entre -4 et -4,2 milliards d'années. Michelle Hopkins a ensuite analysé ces zircons à l'aide d'une microsonde ionique.

Dans un premier temps, la teneur en titane a été mesurée. Il s'agit d'un véritable géothermomètre donnant la température de formation de ces cristaux. Surprise, la faiblesse en titane obtenue indique une faible température, 700 ºC, ce qui est normalement insuffisant sauf si l'on imagine la présence de grande quantité d'eau dans le magma dont ils sont issus.

De gauche à droite Harrison, Hopkins et Manning examinant une des roches des Jack Hills. © Reed Hutchinson, Ucla

Ce fut un premier choc car selon l'image standard de l'Hadéen qui prévaut encore aujourd'hui, les océans ne s'étaient pas encore vraiment formés. Des investigations plus poussées ont mis en évidence de la muscovite en grande quantité dans les zircons. Or, il s'agit d'un minéral riche en eau que l'on retrouve aujourd'hui associé à la subduction d'une plaque océanique sous une plaque continentale !

Pour tester cette hypothèse, il a fallu faire appel à un géobaromètre, le taux d'aluminium dans les zircons a alors indiqué une pression de formation de 7.000 atmosphères, et donc une profondeur de 25 kilomètres.

À nouveau, cela ne cadre pas avec les modèles thermiques de la Terre de cette époque, plus chaude qu'aujourd'hui. La température à cette profondeur devait être le triple de celle mesurée avec le titane... sauf si l'on est bien dans un zone de subduction !

Toujours de gauche à droite Harrison, Hopkins et Manning examinant les résultats de l'analyse des zircons avec une microsonde ionique. © Reed Hutchinson, Ucla

La conclusion semble difficilement évitable, s'il y avait bien de la subduction alors c'est que la tectonique des plaques avait démarré et que des océans existaient déjà entre -4 et -4,2 milliards d'années.

Les chercheurs restent tout de même prudents, il se pourrait que des processus géologiques propres aux conditions de cette époque, et que nous imaginons difficilement, faussent cette conclusion. Reste que plusieurs indications sont convergentes et il est probable que l'Hadéen porte mal son nom, donc que la Terre ait été rapidement propice à l'apparition de la vie.

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