La Terre, berceau de l'Humanité

L'évolution de la Terre (II)

Bien que l'évolution ait profondément modifié notre planète, tant physiquement que chimiquement, il est relativement aisé de remonter le temps. Avant les années 1960, les scientifiques pensaient que les scénarii qui tentaient d'expliquer l'évolution pendant le premier milliard d'années resteraient à jamais incertains, les preuves de cette lointaine époque ayant été effacées de la surface de la Terre. Sans toutefois nier catégoriquement ce fait, il faut considérer que cette idée appartient au passé. Bien qu'à l'heure actuelle aucun autre monde ne permette d'établir de comparaison avec cette ancienne époque, grâce à la géologie isotopique nous pouvons éclaircir cette période obscure du passé. Confrontant les théories aux données recueillies par les missions scientifiques, aux découvertes lunaires et aux missions spatiales vers les autres planètes et les astéroïdes, les géochimistes peuvent utiliser la technique isotopique pour comprendre l’évolution de notre planète. Nos théories sont suffisamment consolidées pour qu'on puisse dresser une liste des principales connaissances acquises sur sa prime évolution et sa structure physico-chimique.

Issue de la nébuleuse protosolaire, la Terre s’est formée il a environ 4.55 milliards d'années. Etant donné qu'on a trouvé des météorites remontant à 4.56 milliards d’années, il faut relativiser ce grand âge et considérer que pendant cette époque chaotique la Terre continuait de grandir, le bombardement ne s’estompant que 120 à 150 millions d’années plus tard. Nous sommes alors entre 4.44 et 4.41 milliards d’années. Totalement formée, la taille de la Terre lui permet enfin de retenir son atmosphère par gravité et de créer son noyau^[1]. C'est alors qu'une première vague de bombardements cométaires commença, peut-être suivie d'une seconde, remplissant les fosses océaniques de 30 à 40% d'eau selon les dernières estimations.

La Terre primordiale subit l'assaut des météorites durant quelque 150 millions d'années. Illustration de David A.Hardy.

L’émergence des continents est beaucoup plus tardive. Les théories de la tectonique des plaques et de la dérive des continents de Wegener nous apprennent que la Terre est constituée de 12 plaques tectoniques principales, auxquelles s’ajoutent de nouveaux morceaux apparus suite à des ruptures ou des collisions entre plaques. Leurs limites sont formées par les ruptures dans le plancher de l’écorce terrestre, les zones de subduction et les fractures secondaires.

Les continents sont les seules structures de l’écorce terrestre n’ayant pas été recyclées, et par conséquent détruites par l’incessant cycle géothermique de convection qui se déroule dans le manteau. Leur subsistance vient du fait que les continents sont constitués de matériaux légers qui restent en surface pendant les phases de subduction des plaques tectoniques. Il n’est donc pas étonnant de retrouver des roches continentales remontant à 2 ou 3 milliards d’années alors que les fonds sédimentaires ou magmatiques des océans ne dépassent pas quelque 200 millions d’années. On peut donc trouver dans les roches continentales les traces fossiles des premières formes de vie. Ces traces ne sont toutefois pas très nombreuses car l’activité géologique, l’érosion et le métamorphisme - c'est-à-dire l’altération des roches dans leur structure à l'état solide, de fusion ou dans un état mixte - a détruit la plupart des roches primitives. Peu de fragments ont survécu à cette machine géologique infernale.  

Positions actuelles des plaques tectoniques La Terre est constituée de 12 grandes plaques tectoniques qui participent à l'évolution des continents et des mers. A leur jonction, des failles et zones de subduction (traits rouges et jaunes) courant sur des centaines voire des milliers de kilomètres sont à l'origine des tremblements de terre et des tsunamis. Document NAU Geology Dept.

Pour les géologues et les micropaléontologues, les plus vieux sédiments que l’on retrouve à Ishua à l’ouest du Groenland et en Inde remontent entre 3.7 et 3.8 milliards d’années. D’autres plaques tectoniques, telle la région d’Acastagneiss en Amérique du Nord sont âgées de 3.96 milliards d’années. Enfin des traces archaïques de zircon ont été découvertes à l’ouest de l’Australie remontant entre 4.1 et 4.3 milliards d’années^[2].

Le plus important dans l’évolution de la Terre fut la formation de l’atmosphère car s’est le mélange approprié des gaz qui favorisa l’émergence de la vie à partir des océans et sa survie.

Il y a 4 milliards d’années le visage de la Terre était méconnaissable. Son atmosphère et sa surface étaient invivables. Les tempêtes et les éruptions volcaniques faisaient rage et il est à se demander comment la vie put émerger de ce chaos.

Sa composition était alors identique à celle de Vénus aujourd'hui, c'est-à-dire principalement constituée de gaz carbonique et trop chaude pour supporter une forme de vie. C’est pourtant à cette époque que sous l’effet du rayonnement solaire s’accomplirent de profondes mutations tant sur le plan physique que biologique.

L'air au début irrespirable et "empoisonné" à l'oxygène fut progressivement mis à profit par les premiers organismes qui apprirent à l'utiliser dans eur métabolisme. Quatre milliards d’années plus tard, une profusion de formes de vie s’est développée sur la Terre et a conquis tous les milieux, des fonds abyssaux à la troposphère.

Comment naquit l’atmosphère ? Nous savons depuis les années 1950 que les gaz contenus dans l’atmosphère proviennent de l’intérieur de la Terre, des planétésimaux qui se sont agglomérés au cours de sa formation et dont les gaz emprisonnés se sont échappés du sol, formant probalement 60% de l’eau des océans et l’atmosphère. Nous pouvons déterminer à quelle époque ce processus débuta en analysant les rares endroits où le manteau remonte vers la surface, libérant les éléments chimiques qu’il a emprisonné. Ces endroits se situent à la jonction des plaques tectoniques, au milieu des océans. 

Sur les dorsales océaniques, le déplacement des plaques tectoniques dépose des roches siliceuses riches en molécules de gaz archaïques. Les roches magmatiques que l’on y trouve peuvent concentrer les gaz dans un rapport 10⁵:1. C’est en draguant les fonds abyssaux à la recherche de ces roches que l’on découvrit que 80 à 85% de l’atmosphère s’échappa durant le premier million d‘années. Le restant fut libéré lentement mais de façon continue pendant les 4.4 milliards d’années restants. Sa structure était à prédominance de gaz carbonique et d’azote. Cette atmosphère primitive contenait également du méthane, de l’ammoniac, du dioxyde de soufre et de l’acide chlorhydrique, bref un environnement invivable, d'autant qu'il n'y avait alors encore aucune trace d’oxygène. 

En fait cette atmosphère était semblable aux conditions qui règnent actuellement sur Vénus et dans une moindre mesure sur Mars. C’est l’augmentation du gaz carbonique, la naissance de l’effet de serre et l’évolution de l’atmosphère qui permirent aux gaz tels que l’ammoniac et le méthane de donner vie à la matière organique. Nous reviendrons sur cette fabuleuse histoire dans le dossier consacré à la bioastronomie.

Si au demeurant la disposition des mers et des continents semble à peu près figée, le fait que les plaques tectoniques se déplacent de quelques millimètres à quelques centimètres par siècle contribue à modifier l'aspect de la Terre sur des périodes de quelques dizaines de millions d'années. Il faut savoir que dans 250 millions d'années, le visage de la Terre aura vieilli et sera profondément méconnaissable. Les plaques tectoniques de l'Europe, de l'Afrique et de l'Asie se seront unies à celle du continent Américain, l'Antarctique se sera soudée à l'Australie, l'ensemble de cette masse remontant lentement vers l'équateur.

Monde passé, monde futur A gauche, la Pangée voici 230 millions d'années. A droite, la Terre dans 250 Millions d'années. Document C.R.Scotese/U.Texas adaptés par l'auteur.

Notions de géodésie

La géodésie permet de déterminer la dimension et la forme exacte de la Terre. D'un diamètre de 12756 km à l'équateur et 12713 km aux pôles, la Terre ressemble à une poire dont le diamètre moyen serait inscrit dans une ellipse. Cet objet est un géoïde dont les "bosses" vont de 15m à 80m (Nouvelle-Guinée) au-dessus de l'ellipse de référence, tandis que les "dépressions" oscillent entre 25m et 108m (Sri Lanka) en-dessous de la surface moyenne. Son aplatissement est donc à peine perceptible. La superficie de la Terre est de 510 millions de km², sa densité moyenne est de 5.32 pour une masse de 6x10²¹ tonnes. Il en résulte que la force de gravité agit à sa surface avec une accélération constante de 9.81 m/sec² en moyenne, l’équivalent d’une force de "1 g".

Du point de vue géologique, on peut considérer que la Terre est constitue de plusieurs coquilles concentriques. Au centre se trouve un noyau cristallin constitué de fer qu'on appelle la graine. Il mesure environ 1220 km de rayon. On ignore quelles ont été les circonstances qui ont conduit à la formation du noyau, structure qui est propre à toutes les planètes, de même que le processus qui a conduit à la "descente" du fer dont il est constitué. On sait seulement qu'il représente 30% de la masse de la Terre.

La graine est entourée par le noyau externe, une enveloppe de magma fluide d'environ 65 km d'épaisseur. Cette enveloppe est composée de fer en fusion auquel se mêlent quelques éléments plus légers (soufre, oxygène, nickel, silicium, etc). L'ensemble est recouvert par le manteau inférieur et supérieur composé d'un mélange de silicate de magnésium et de silicate d'aluminium qui s'étend jusqu'à environ 70 km de la surface où commence la croûte terrestre et sur laquelle évolue les continents au gré des plaques tectoniques.

Structure physique de la Terre A gauche, l'aspect de la Terre vu de l'espace (Apollo 17) : une sphère a priori parfaite. Mais les géophysiciens la voit autrement (au centre), telle un géoïde présentant des bosses de 80 m (vert) et des creux de 108 m (rouge) par rapport à la surface moyenne. A droite, la structure interne de la Terre. Voir le texte pour les explications. Document NASA et T.Lombry.

Concernant les températures, à partir d'un peu plus de 1 m de profondeur, les variations de température journalières ne se font plus sentir et à partir de 20 à 30 m de profondeur selon les sols les variations annuelles n'ont plus aucun effet. A mesure que l'on s'enfonce sous terre, la température augmente d'environ 3° tous les 100 m pour atteindre environ 3500°C dans le noyau externe et 5500°C au centre de la Terre.

Cette température est essentiellement entretenue par la radioactivité naturelle des roches à laquelle s'ajoute une petite contribution liée aux échanges thermiques avec le magma. C'est ensuite l'effet mécanique de la pression qui atteint 3.6 millions d'atmosphères au centre de la Terre qui augmente la température et transforme finalement la matière visqueuse en réseau cristallin dans la graine.

Le noyau est le siège de mouvements convectifs qui peuvent être d'origine thermique suite à la température plus importante qui règne à la limite noyau interne-noyau externe (ICB) qu'à la frontière noyau externe-manteau (CMB). La cristallisation de la graine libère également de la chaleur latente de solidification qui réchauffe le fluide alentour et alimente la convection.

Le noyau externe fluide étant conducteur, ses mouvements différenciés engendrent le champ magnétique terrestre par un phénomène de dynamo auto-excitée sur lequel nous reviendrons.

En moyenne, la lithosphère qui forme l'écorce terrestre est profonde de 5 à 10 km et se compose d'une succession de strates : une couche superficielle de sédiments, une couche intermédiaire continentale granitique et une couche basaltique qui forme le plancher des océans. Elle contient pour les trois quarts du silicium et de l'oxygène, ce sont des silicates.