Aiguilles du Midi. © Andy Smedley, imaggeo.egu.eu
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Reconstruire l’histoire des montagnes grâce aux grains de sable

Question/RéponseClassé sous :Géologie , montagne , thermochronologie
 

[EN VIDÉO] Tour de France de la biodiversité : le Parc naturel régional de la Montagne de Reims  Parallèlement au Tour de France cycliste, le Musée national d'histoire naturelle (MNHN) vous invite pour un Tour de France de la biodiversité. Cette première étape nous conduit dans le Grand-Est, dans le Parc naturel régional de la Montagne de Reims entourant un plateau boisé qui culmine à 300 mètres d’altitude. Ce parc est bordé par les villes de Reims, Épernay et Châlons-en-Champagne, entre la Vallée de la Vesle, au nord, et la vallée de la Marne, au sud. 

Les montagnes font partie de notre paysage et, à l'échelle de la vie humaine, nous ne les voyons pas changer. Elles ne sont pourtant pas éternelles. Nées de la tectonique des plaques lors de la collision de masses continentales, les montagnes finissent par disparaître progressivement, sous l'action continue des processus de surface qui les érodent, comme les glaciers, les précipitations, les glissements de terrain. Comment alors reconstruire l'histoire des reliefs passés dont il ne subsiste presque plus de traces ?

L'érosion des montagnes entraîne la dislocation des roches qui les composent. Les grains de sable produits vont être transportés par le vent et les rivières et vont finir par s'accumuler au pieds des massifs. En se compactant, ils vont former ce que l'on appelle les roches détritiques, comme le grès. Ces grains de sable contiennent un minéral particulièrement intéressant, l'apatite, qui conserve certaines traces de l'histoire des montagnes dont il est issu.

Les apatites, mémoire des reliefs disparus

Les apatites sont des cristaux hexagonaux de phosphates de calcium. Ils sont intéressants car ils contiennent dans leur structure cristalline une infime quantité d’uranium, un élément chimique particulièrement instable qui se désintègre par fission radioactive. L'uranium intègre le cristal d'apatite lors de sa cristallisation dans les profondeurs de la Terre, longtemps avant la formation des reliefs. Lorsque la réaction de désintégration a lieu à l'intérieur du cristal d'apatite, cela va y laisser une « trace de fission » d'environ 16 micromètres.

Cette réaction a lieu régulièrement et les traces de fission vont ainsi s'enregistrer et s'accumuler au fur et à mesure dans les apatites mais de façon différente en fonction des conditions de température. Au-dessus de 120 °C, ce qui correspond à une profondeur de 4 km environ, les traces de fission vont cicatriser totalement. Mais, pour des températures basses, entre 120° et 60 °C (2,5 à 4 km de profondeur), les traces de fission ne vont cicatriser que partiellement, donnant ainsi des informations sur la température subie par le cristal à un moment donné. Cette méthode, développée dans les années 1970, s'appelle la « thermochronologie basse-température ».

Comme la température et la profondeur sont étroitement liées (sur Terre, la température augmente de 30 °C par kilomètre en moyenne), il est possible, par l'analyse des traces de fission dans les apatites, de reconstruire le trajet de la remontée des roches vers la surface.

Cristal d’apatite avec traces de fission. © M. Zattin, University of Padova. CC by-nc-nd

L’analyse des apatites

Pour lire l'histoire des montagnes dans les apatites, il faut d'abord compter le nombre de traces de fission dans un grain. L'échantillon est irradié pour déterminer la quantité d'uranium restant dans chaque cristal, ce qui permet de déterminer l'âge auquel l'apatite est entrée dans la zone entre 120° et 60 °C. La mesure de la longueur des traces de fission permet ensuite de définir la vitesse de remontée : des traces longues signifient une remontée rapide (le temps pour cicatriser entièrement est trop court), alors que des traces courtes sont synonymes d'une remontée lente (les traces ont le temps de cicatriser). Il est donc possible de dater le refroidissement de la roche et de déterminer sa vitesse. À partir de quelques grains seulement, l’évolution des montagnes peut être retracée.

À partir de quelques grains seulement, l’évolution des montagnes peut être retracée

Mais il arrive que l'histoire contenue dans les grains soit effacée. En effet, si les apatites se retrouvent à nouveau soumises à une température supérieure à 120 °C, toutes les traces de fission vont cicatriser et disparaitre. Le système est remis à zéro, l'histoire antérieure est perdue. Ce phénomène de réchauffement se produit lorsque les dépôts détritiques s'accumulent sur une grande épaisseur. Les grains à la base peuvent alors être enfouis sous plusieurs kilomètres de sédiments, se compactant et subissant une augmentation graduelle de la température. C'est le processus de diagenèse.

Mais les apatites une fois déposées au pied des reliefs érodés peuvent être à nouveau ramenées à la surface par des processus tectoniques plus récents. Les nouvelles traces de fission vont alors enregistrer la nouvelle évolution thermique du grain de sable, permettant de comprendre l'histoire récente des paysages. Il n'est pas rare d'observer ces alternances d'enfouissement (subsidence) et d'exhumation dans certaines régions. L'étude de ces phénomènes est appelée source-to-sink (« de la source au bassin ») et vise à comprendre l'évolution des systèmes de dépôt dans les immenses bassins situés au pied des grands reliefs.

Les apatites ne représentent pas le seul minéral utilisé en thermochronologie. Les zircons sont également souvent recherchés et d'autres éléments chimiques radioactifs comme l'hélium sont également capables de laisser des traces de fission. Les méthodes sont généralement couplées car chacune est caractéristique d'un intervalle de température différent, permettant au final d'avoir une vision assez précise du trajet parcouru par le grain depuis sa cristallisation.   

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