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Les grandes étapes de l'évolution de la Terre et de la vie

Illustration de la collision entre deux planétoïdes de quelques milliers de kilomètres de diamètre. Document Lynette Cook pour Gemini Observatory/AURA.

Aux origines (I)

Bien que l'évolution ait profondément modifié notre planète, tant physiquement que chimiquement, il est relativement aisé de remonter le temps. Seul bémol, la période la plus ancienne, l'éon Hadéen (par référence à Hadès, le dieu des Enfers, et qui précède la période Archéenne) qui s'étend de ~4.6 à 4.0 milliards d'années avant le présent reste incertaine.

Si avant 1960 les scientifiques estimaient que la prime jeunesse de la Terre serait à jamais inconnue en raison des effets de l'érosion, du métamorphisme des roches (l'altération des roches dans leur structure à l'état solide, de fusion ou dans un état mixte) et de la tectonique des plaques, à force de chercher et d'étudier divers échantillons, effectuant des recoupements et posant quelques hypothèses supportées par des modèles informatiques, géologues et géochimistes ont pu confronter leurs théories aux données recueillies par les missions scientifiques aux quatre coins du monde, aux découvertes lunaires et aux missions spatiales vers les autres planètes et les astéroïdes, et sont parvenus à relever le défi de décrire cette période Hadéenne avec une certaine précision. Ce sont les résultats de leurs travaux que nous allons décrire.

Issue de la nébuleuse protosolaire qui se serait condensée voici 4.65 milliards d'années, selon les dernières estimations la Terre serait âgée de 4.5685 ±0.5 milliards d’années[1].

Nous verrons à propos du Soleil que pendant son premier milliard d'année d'existence, il présentait un taux de rotation de seulement 9 ou 10 jours contre une moyenne de 27 jours aujourd'hui. Il était également plus actif avec des éruptions plus nombreuses. Ce paramètre a vraisemblablement influencé les conditions d'habilité et donc l'essor de la vie sur notre planète et potentiellement sur les autres planètes du système solaire. On y reviendra dans d'autres articles.

Selon une étude sur les isotopes découverts dans des météorites publiée par l'équipe de Imré Bartos de l'Université de Floride dans la revue "Nature" en 2019, 0.3% des éléments les plus lourds existants sur Terre et notamment l'or, le platine et l'uranium furent créés grâce au processus r au cours de la fusion de deux étoiles à neutrons situées à environ 1000 années-lumière de la nébuleuse protosolaire. Cette "collision" serait survenue quelque 80 millions d'années avant la formation du système solaire et 100 millions d'années avant la formation de la Terre. Autrement dit, l'or des bijoux que vous portez aujourd'hui fut créé il y a 4.6 milliards d’années. S'il nous relie à notre alter-ego, il nous relie également à notre origine cosmiques.

A télécharger : Echelle des temps géologiques, VF 2012 (et PDF) - Version anglaise (2018), ICS

Une histoire Hadéenne mal connue

L’histoire Hadéenne de la Terre est entourée de mystère. On considère que notre planète est née sèche, sans eau ni atmosphère. Pendant l'éon Hadéen, entre 10 et 70 millions d'années après la formation de la Terre, soit entre ~4.59 et 4.53 milliards d'années, le noyau métallique et le manteau silicaté se sont différenciés. Rappelons qu'aujourd'hui le noyau interne est solide et composé de fer cristallin tandis que le noyau externe est liquide et composé d'un alliage de fer et d'éléments plus légers (Si, O, S, C, Ni, etc.). Ces métaux proviendraient des météorites et autres planétésimaux ayant percuté la proto-Terre lors de la phase d'accrétion et qui auraient littéralement coulés au centre de la planète, le fer ayant percolé jusqu'au centre, formant la graine. Malgré les hautes pressions (< 140 GPa), le manteau est également en grande partie fluide et présente une température maximale atteignant 3700°C.

La Terre primitive recouverte d'un océan de magma il y a plus de 4.5 milliards d'années en train de subir un bombardement intensif qui maintient sa surface en fusion. Document T.Lombry.

Les plus anciennes traces de fusion du manteau (la zone en fusion située sous la croûte terrestre solidifée) ont été découvertes à Ishua, à l'ouest du Groenland et sont datées de 3.872 milliards d'années sur base d'un excès en néodyme-142 par rapport à d'autres échantillons. Il s'agit de coussins basaltiques de lave issus de la fusion partielle du manteau qui ont conservé des traces d'une différentiation chimique primordiale au sein d'un océan magmatique.

Durant l'éon Hadéen, à la surface de la Terre régnait une température supérieure à 2000°C et une pression comprise entre 310 et 480 atmosphères (306-474 bars, sachant que 1 bar = 0.987 atm). Il existait déjà une atmosphère primordiale composée d'hydrogène et d'hélium mais nous verrons qu'elle fut rapidement dispersée au profit de gaz plus lourds.

Tous les géophysiciens ne sont pas unanimes sur l'époque précise à laquelle l'océan de magma de la Terre se solidifia. Il est certain que tant que la Terre subit un bombardement météoritique intense, la chaleur libérée sous les impacts n'a pas permis au magma de se refroidir.

Certains chercheurs comme l'équipe de Shige Maruyama de l'Université Chinoise de Géosciences de Beijing ont situé l'époque cruciale du refroidissement de l'océan de magma et donc la formation de la croûte terrestre vers 4.53 milliards d'années, d'autres vers 4.50-4.47 milliards d'années, soit une différence pouvant atteindre 600000 ans. Si pour le public cette différence de datation n'est pas importante et semble confirmer la théorie, en revanche pour les géophysiciens c'est un "détail technique" qui peut remettre en cause une ou plusieurs théories, en particulier les caractéristiques de la Terre primitive et la chronologie des évènements jusqu'à la formation des premiers continents, ce que nous allons décrire.

L'analyse stratigraphique de la Lune et les simulations de l'impact qui lui donna naissance permettent de déterminer si au moment de la formation de la Lune, la surface de la Terre était déjà solide ou encore couverte d'un océan de magma. Si cette dernière hypothèse explique mieux les caractéristiques actuelles de la Lune, la réponse n'est pas encore définitive.

1. Formation de la Terre silicatée (BSE)

La Terre silicatée ou littéralement la "Terre de silicate en vrac" (Bulk Silicate Earth ou BSE) fait référence à la composition chimique originale de la partie silicatée (composée de molécules de dioxyde de silicium - la silice - et d'oxydes métalliques) de la Terre après l'accrétion et la séparation d'un noyau mais avant la différenciation de la première croûte. Pour cette raison, les géophysiciens considèrent que la BSE est comparable à la composition du manteau primitif de la Terre, d'où les nombreuses études sur le sujet.

L'origine de la Terre silicatée ou BSE reste en grande partie une énigme. Plusieurs modèles permettent d'évaluer la composition initiale de la BSE. Le modèle classique consiste à déduire la BSE de la composition chimique de la plupart des météorites primitifs indifférenciés, c'est-à-dire les chondrites carbonées de la classe CI. En utilisant ce modèle, des éléments lithophiles réfractaires (ceux qui n'ont pas percolé dans la graine et sont restés dans le manteau de silicate) permettent de connaître les abondances relatives à l'image des processus observés dans les chondrites. D'autres modèles montrent des différences dans les rapports néodyme-142/néodyme-144 et lithium-3/lithium-4 entre les laves primitives du manteau et les chondrites, ce qui aboutit à une composition un peu différente et non chondritique du manteau primitif.

L’abondance d’éléments hautement sidérophiles dans le manteau terrestre remontant entre 1 et 3 milliards d’années peut être mesurée directement dans des xénolites du manteau lithosphérique remontés en surface par l’activité volcanique récente (à gauche). Les abondances d'éléments hautement sidérophiles dans la BSE (la masse de silicate en vrac) peuvent également être estimées par projection de la variabilité de la péridotite (à droite, selon H.Becker et al., 2006). La plupart des péridotites terrestres, indépendamment du MgO, ont un rapport Ru/Ir plus élevé que les météorites chondritiques. Document R.Walker.

Que savons-nous de la composition du manteau silicaté de la Terre primordiale en termes d'abondances des éléments sidérophiles (les éléments ayant des affinés avec le fer) ? Selon Maruyama, en théorie les sidérophiles se sont rassemblés dans le noyau métallique (la graine solide) lorsque le milieu est parvenu à l'équilibre chimique vers 4.567 Ga. Mais les observations indiquent une abondance trop élevée. Ainsi, les xénolites du manteau (des inclusions de roche ne provenant pas de la roche hôte dans une roche différente, par ex. des basaltes contenant de la péridotite) proviennent uniquement du manteau supérieur à moins de 150 km de profondeur (par rapport aux 2900 km d’épaisseur du manteau). Une autre observation est la forte variabilité de roche à roche, même de la péridotite, ainsi que des isotopes du soufre. Ce problème intrigue les géologues depuis longtemps dont Righter et Drake de l’Université d'Arizona. Selon Maruyama, si on se base sur le modèle ABEL (Advent of Bio-Elements ou l'arrivée de bioéléments), cela peut facilement s'expliquer (cf. S.Maruyama et T.Ebisuzaki, Geoscience Frontiers, 2017; S.Maruyama et M.Santosh, Sciences, Part I, 2017 et Sciences, Part II, 2018). Mais tous les chercheurs ne partagent pas cet optimisme.

Une autre découverte critique bien que commune en planétologie, est le fait que l'astéroïde rocheux Vesta de ~530 km de diamètre a une forme presque sphérique et présente une croûte basaltique primitive sous laquelle se trouve un manteau et un noyau métallique. Étonnamment, ce petit astéroïde a déjà été fractionné, ce qui soulève la question de la source de chaleur. On peut imaginer que l'isotope aluminium-26 a fourni cette chaleur durant une courte période. Ce noyau et ce manteau de silicate furent fractionnés dès le premier stade de formation de cet astéroïde. Selon Maruyama, cette différenciation ne s'est pas produite lors de l'impact ultérieur avec un corps ayant 10% de son diamètre comme l'a suggéré l'équipe de Makiko K. Haba en 2019.

La théorie de l'océan de magma

Face à ces difficultés, l'équipe de Maruyama a complètement revu les modélisations à N corps afin d'expliquer le fractionnement des sidérophiles ainsi que le bombardement intense tardif. Selon Maruyama, "ces évènements ainsi que le modèle ABEL peuvent facilement expliquer la grande abondance de sidérophiles après l'équilibre chimique et la distribution homogène dans l'océan de magma (liquide). Une accumulation durant le bombardement ABEL tardif peut prolonger les caractères hétérogènes. Je crois que nous avons résolu des problèmes majeurs."

Sachant que selon certains chercheurs, les observations de la sonde spatiale lunaire LRO auraient remis en question le bombardement tardif (cf. P.Spudis et al., 2011), à la question de savoir si tous leurs collègues partagent leurs idées, Maruyama me répondit dans une communication privée, "nous ne savons pas si tous les scientifiques ont conscience que le modèle ABEL peut résoudre les questions énigmatiques relatives à la formation de la Terre." Il est vrai que cette théorie est récente et n'a pas encore fait l'objet de nombreuses études. Toutefois, il faut rappeler que la théorie de la migration planétaire rend compte du bombardement tardif et explique parfaitement l'évolution du système solaire. On ne peut donc pas tirer de conclusions générales à partir des seules images prises par la sonde LRO.

Pour illustrer nos propos, les schémas ci-dessous décrivent les hypothèses proposées par l'équipe de Shige Maruyama en 2017.

Le premier schéma (à gauche) illustre l'hypothèse où la Terre serait née avec de l'eau liquide, ce qui aurait entraîné l'absence d'anorthosite et de basalte mafique (riche en magnésium et fer) KREEP (acronyme de K, Rare Earth Elements ou éléments de terres rares et P). La surface est recouverte de komatiite, une roche volcanique à olivine et pyroxène résultat d'une fusion partielle (jusqu'à 50%). Sous la komatiite, la péridotite se forme à partir d'olivine. Elle constitue aujourd'hui la plus grande partie du manteau (mais celle qu'on trouve en surface peut aussi avoir une origine métamorphique).

Les quatre autres schémas datés illustrent l'évolution chronologique du manteau de la Terre durant l'Hadéen dans l'hypothèse où la planète serait née sous la forme d'un astre rocheux sec (sans océan ni d'atmosphère) comme le propose par le modèle ABEL. Sans les composants océaniques et atmosphériques, de l'anorthosite (mélange d'au moins 90% de feldspath plagioclase et d'un peu de composants mafiques tels que l'olivine, le pyroxène, l'ilménite et la magnétite) et du basalte KREEP pourraient se former. Leur caractéristique commune est la formation de komatiite en surface par refroidissement rapide.

Évolution du manteau de la Terre selon les deux hypothèses courantes. A gauche, cas où la Terre est née avec de l'eau liquide. La séquence de droite (datée) est le cas où la Terre est née sèche. Voir le texte pour les explications. KREEP est l'acronyme de K (potassium), REE (éléments de terres rares ou lanthanides) et P (phosphore). Les cumulats sont des roches formées dans le magma. NB. "Ga" est l'abréviation de milliards d'années ou "giga-anum" et a été adoptée internationalement selon le standard ISO 80000:3-2006. Documents Shige Maruyama et al. (2017) adaptés par l'auteur.

Il y a 4.56 milliards d'années (Ga), lorsque l'océan de magma est apparu, en raison de la densité croisée, une partie de l'olivine du manteau coula tandis que l'autre partie remonta des profondeurs, l'olivine s'accumulant à 250 km sous la surface.

Il y a 4.55 Ga, suite au refroidissement du magma, seuls les métaux lourds comme le fer sont restés dans le résidu, ce qui força l'olivine à remonter par flottage (Cumulats Ol).

Il y a 4.53 Ga, l'anorthosite s'est initialement formée à une profondeur de 21 km. Puis elle remonta en surface en raison de la densité plus élevée de magma contenant des éléments riches en métaux lourds et forma la croûte. La croûte supérieure était probablement composée de gabbros fractionnés. La croûte reposait sur une couche de méta-anorthosite (grossulaire + cyanite + quartz) jusqu'à 50-60 km de profondeur. La densité croisée peut expliquer la formation de structure en couches d'anorthosite et d'olivine. Une fois la croûte anorthositique formée, le basalte KREEP s'est solidifié à partir du résidu.

L'épaisseur du basalte mafique KREEP dans la croûte inférieure qui le sépare du manteau supérieur n'est pas bien contrainte et aurait pu aller jusqu'à environ 100-200 km de profondeur en fonction du degré de fractionnement et de la stabilité gravitationnelle par rapport à la densité du manteau environnant.

Il y a 4.52 Ga, au stade final le magma et/ou la komatiite de KREEP ont émergé en surface suite à leur fusion dans le manteau solide. Les continents primordiaux ou cratons devaient être composés du résidu final de l'océan de magma sec enrichis en plusieurs éléments critiques, notamment Ca, Mg, Fe, Mn, P, K et Cl, exposés à la surface de la Terre sèche.

Environ 190 millions d'années après la solidification de l'océan magma, le bombardement ABEL qui se produisit entre 4.37 et 4.20 milliards d'années fournit des substances volatiles, notamment de l'eau, du dioxyde de carbone et de l'azote ainsi que des composants à base de silicate transportés par les astéroïdes glacés et les comètes. Cette période dura 200 millions d'années et fut accompagnée de bombardements météoritiques jusqu'il y a 3.9 milliards d'années, préparant la Terre à l'évolution chimique prébiotique. On y reviendra.

En raison d'une convection intense découlant des températures potentiellement élevées du manteau, les continents primordiaux se sont désagrégés et furent entraînés jusqu'au manteau inférieur, marquant ainsi le début de la tectonique des plaques de l'Hadéen.

A gauche, selon l'équipe de Shige Maruyama, l'océan de magma de la Terre se solidifia il y a environ 4.53 milliards d'années, ce qui permit la formation des continents primordiaux ou cratons composés de komatiite. La croûte supérieure était composée de gabbros fractionnés et la croûte felsique d'anorthosite présentait une épaisseur de 10 à 20 km. Elle reposait sur une couche de méta-anorthosite (grossulaire + cyanite + quartz) s'étendant jusqu'à 50-60 km de profondeur. L'épaisseur du basalte KREEP composant la croûte inférieure qui la sépare du manteau supérieur sous-jacent n'était pas très contrainte et aurait pu s'étendre jusqu'à environ 100 ou 200 km de profondeur selon le degré de fractionnement et la stabilité gravitationnelle en fonction de la densité du manteau environnant. A droite, illustration spéculative de la surface de la Terre Hadéenne immédiatement après le bombardement ABEL, il y a 4.2 milliards d'années (vue en plan au-dessus et en coupe transversale en dessous). Documents Shige Maruyama et al. (2017) adaptés par l'auteur.

Selon d'autres chercheurs comme Righter et Drake précités, il y a 4.50-4.47 milliards d'années, la surface de la Terre était encore un océan de magma qui libérait une chaleur intense (flux thermique >150 W/m2). La température de l'air était supérieure à 1200°C et la pression voisine de 270 bars, principalement entretenue par la vapeur d'eau et le gaz carbonique.

Il fallut patienter 70 à 100 millions d'années soit entre ~4.43 et 4.37 milliards d'années pour que la couche superficielle du magma se solidifie et que la croûte se forme.

Lorsque la croûte fut entièrement solidifiée, le flux thermique chuta en dessous de 150 W/m2 et la température en surface tomba sous 300°C. L'effet de serre resta important durant toute cette période avec une pression de gaz carbonique dans l'air de 40 bars (contre 3.5x10-4 bar aujourd'hui).

Concernant la Lune, mis à part sa naissance fracassante, les premières étapes de son évolution furent très similaires à celle de la Terre. Au début de l'Hadéen notre satellite encore chaud et envahi de lacs de lave se trouvait à peine à 25000 km de distance de la Terre. Il faudra attendre l'Archéen soit environ 800 millions d'années pour qu'elle se déplace lentement jusqu'à 100000 km de distance et influence sensiblement la période de rotation de la Terre et pratiquement attendre 4 milliards d'années pour qu'elle atteigne sa distance actuelle à environ 385000 km de la Terre. On y reviendra.

A voir : Animation de la Terre et de la Lune primordiales, Mark Garlick

La Terre et la Lune primordiales subirent l'assaut des météorites durant quelque 150 millions d'années, accompagnés d'une intense activité volcanique. Illustrations de Mark Garlick.

La théorie de l'impact

Quelle est l'origine du carbone et des silicates qu'on trouve aujourd'hui dans tous les continents et qui forme la croûte terrestre ? Leur origine remontant à plus de 4 milliards d'années, il est pratiquement impossible de trouver sur la terre des roches antérieures à cette époque qui n'auraient pas été contaminées par des silicates. Il faut donc réaliser des expériences, créer des modèles et simuler l'évolution primordiale de la Terre pour répondre à ces questions qui restent largement débattues car on ne connaît actuellement ni la composition exacte ni l’épaisseur des couches fondues de la proto-croûte de l'Hadéen.

En revanche, le bassin de Sudbury situé au Canada (Ontario) que les géologues et pétrologistes appellent SIC (Sudbury Igneous Complex) est l'un des plus grands cratères d'impact terrestre avec un diamètre originel de 200 km qui a depuis été érodé par les forces tectoniques. Il s'est formé il y a environ 1.85 milliard d'années. Sous l'impact, la roche a été fondue sur une épaisseur de ~5 km et a été surchauffée entre 1700-2000°C. Le bassin du SIC est composé de couches de gabbros (roche plutonique magmatique), de norite (roche ignée intrusive), de diorite (roche magmatique), de granophyre (roche subvolcanique) et d'inclusions de mélanorite d'un diamètre de 10 à 100 m.

A gauche, le système Terre-Lune il y a environ 4.4 milliards d'années sous l'assaut des météorites et d'une intense activité magmatique. A droite, carte pétrologique schématique (a) et section stratigraphique simplifiée (b) du complexe ligneux du bassin de Sudbury (SIC) situé au Canada montrant l'emplacement des différentes roches identifiées dont la mélanorite. Documents T.Lombry et Rais Latypov et al. (2019) adapté par l'auteur.

L'étude du SIC a levé une partie du mystère concernant l'histoire de la formation de la croûte terrestre. En effet, jusqu'à présent les chercheurs estimaient que le SIC s'était formé suite à la différenciation du magma. Or de nouvelles analyses suggèrent que ce phénomène fait suite à l'impact météoritique qui aurait enrichi la croûte terrestre en silicates. Voyons en détails comment cela a pu se produire.

Dans une étude publiée en 2016, le pétrologue Rajdeep Dasgupta de l'Université Rice et son équipe de géophysiciens ont décrit les résultats d'expériences simulant les conditions dantesques de pressions et de températures régnant à 400 km sous la Terre ainsi que sur Mercure au moyen d'une puissante presse hydraulique.

Selon le scénario des chercheurs, un petit planétésimal différencié comme l'embryon de Mercure contenant un manteau de carbone et un noyau riche en silicium aurait percuté la Terre il y a environ 4.5 milliards d'années, lui apportant du carbone très tôt dans son histoire. Au cours de son évolution, les métaux lourds présents en surface se sont enfoncés dans le manteau pour se concentrer dans le noyau et la graine. Les alliages métalliques liés au carbone et au soufre ont été entraînés jusqu'au manteau (riche en carbone) tandis que le reste du carbone s'est vaporisé dans l'espace (et même si ce carbone ne s'est pas vaporisé, il aurait fini dans le coeur métallique dont les alliages ont de fortes affinités pour le carbone).

Ce serait donc suite à l'impact d'un objet massif différencié que son coeur métallique plongea directement jusqu'au centre de la proto-Terre et que le carbone plus léger se dispersa dans le manteau de la Terre primitive. Le carbone ajouté au manteau remonta finalement en surface où il se solidifia, formant la croûte terrestre. Il s'est ensuite lié à d'autres éléments pour former des composés organiques complexes, les briques du monde vivant.

Document Rajdeep Dasgupta et al. (2019) adapté par l'auteur.

En 2018-2019, les chercheurs ont revu l'histoire de l'enrichissement de la proto-croûte terrestre en silicates sur base de l'impact d'un embryon protoplanétaire et proposèrent de nouveaux scénarii.

Dans une première étude publiée dans la revue "Science Advances" en 2019, l'équipe de Rajdeep Dasgupta précitée proposa que les silicates sont issus de la collision d'un planétoïde avec la proto-Terre. Dans une première phase (à gauche) se forme une planète de la taille de Mars ou d'un embryon de Mercure qui se différencie en un corps doté d'un noyau métallique entouré d'un réservoir de silicate. Dans une seconde phase, le noyau riche en soufre expulse le carbone dans les couches supérieures du manteau, produisant du silicate présentant un rapport C/N élevé. Ensuite, la collision de cette proto-planète avec la Terre en pleine croissance (à droite) peut expliquer l'abondance de l'eau et des éléments essentiels à la vie tels que le carbone, l'azote et le soufre ainsi que la similarité géochimique entre la Terre et la Lune.

Dans une seconde étude publiée dans la revue "Nature Communications" en 2019, l'équipe de Rais Latypov proposa un nouveau modèle de l'histoire de la cristallisation du SIC dont certains autolithes (la mélanorite) sont documentés et certains vestiges de la séquence initiale sont encore préservés localement dans le bassin de Sudbury.

Les chercheurs proposent le scénario suivant illustré par le schéma présenté ci-dessous à gauche :

(a) Un gros astéroïde heurta la Terre (encart) et généra en quelques minutes une couche fondue surchauffée et homogène recouverte d’une couche d’éjecta.

(b) Une seule couche homogène de matière fondue surchauffée durant l'impact est prise en sandwich entre les roches du soubassement formées sous le choc et la brèche des retombées de la formation d'Onaping.

(c) Après refroidissement, la masse fondue commence à cristalliser la mélanorite/norite felsique des limites extérieures vers l'intérieur. L'activité tectonique entraîne une perturbation de la formation de mélanorite/norite felsique dans la couche supérieure dont le plafond s'effondre, formant des blocs sur le plancher de la chambre temporaire.

(d) Le processus de perturbation se poursuit pendant la cristallisation du gabbro de quartz. Au moment de la cristallisation du granophyre, la quasi-totalité du plafond est détruite et contribue au changement de composition du plancher qui se remplit d'autolithes mélanorite/norite de différentes tailles.

En complément, trois scénarii ont été proposés par les chercheurs pour expliquer l'évolution de la composition de la proto-croûte mafique (riche en métaux)/ultramafique (pauvres en silice) de l'Hadéen et la cristallisation fractionnée des couches fondues suite aux impacts suivie d'un délaminage (cisaillement dans l'épaisseur de la couche) de leurs parties ultramafiques. On obtient les 3 séries évolutives présentées ci-dessous au centre et à droite.

A gauche, modèle de l'histoire de la cristallisation du SIC suite à l'impact d'un météorite. Au centre, modèle de l'évolution de la composition de la proto-croûte mafique/ultramafique de l'Hadéen suite à l'impact d'un embryon planétaire. A droite, diagrammes de phases pseudoternaires du Fo-An-Qtz montrant les séquences de cristallisation fractionnaires, le modèle stratigraphique et les profils de densité connexes. Voir le texte pour les explications. Documents Rais Latypov et al. (2019).

Étapes primordiales (a-c). Un gros astéroïde provoqua la fusion de la proto-croûte de l'Hadéen et généra une couche de masse fondue homogène et surchauffée. Après refroidissement, la lave s'est différenciée en un corps igné bien stratifié avec des cumulats (des roches formées par la chute de cristaux au fond d'une chambre magmatique) ultramafiques (dunite et orthopyroxénite) prédominant par rapport aux corps mafiques à felsiques (norite, gabbro de quartz, diorite et granite). Les cumulats ultramafiques sont plus denses que la proto-croûte et ont donc sombré vers la limite entre la croûte et le manteau. La séquence de cristallisation fractionnée est représentée dans le diagramme de phase (a-b).

Stades intermédiaires (d-f). Un gros astéroïde provoqua la fusion de la proto-croûte de l'Hadéen ainsi que des accumulations mafiques à felsiques remontant à l’impact précédent et généra une couche de fonte homogène et surchauffée. Après refroidissement, la lave s'est différenciée en un corps igné bien stratifié dans lequel les cumulats mafiques à felsiques ont commencé à prévaloir sur les ultramafiques. S'en suit la disparition des cumulats ultramafiques denses qui ont permis d'enrichir la proto-croûte en cumulats de composition évolutive, c'est-à-dire en roches plus riches en silicates. La séquence de cristallisation fractionnée est représentée dans le diagramme de phase (c-d).

Étapes tardives (g-i). Même étapes que la séquence (d-f) à la différence que l'étape de la lave différenciée est à nouveau suivie par la disparition des cumulats ultramafiques denses, ce qui enrichit davantage la proto-croûte en cumulats riches en silicates. La séquence de cristallisation fractionnée est représentée dans le diagramme de phase (e-f).

Le résultat final de ce processus est l’accumulation de volumes substantiels de roches mafiques à felsiques et de caractéristiques géochimiques à basse pression dans la proto-croûte de l'Hadéen, formant des couches de plus en plus riches en silicates à mesure qu'on monte de la base vers la surface de la Terre.

Précisons que l'étude des impacts sur les exoplanètes permet aussi d'expliquer la diversité de leurs atmosphères.

Par la suite, nous verrons à propos de la Lune que l'astéroïde Théia aurait percuté violemment la Terre, libérant dans l'espace suffisamment de matière pour former la Lune. Nous verrons toutefois qu'il faut nuancer ce scénario de la "Lune fille de la Terre" pour expliquer certaines différences isotopiques entre les roches terrestres et lunaires.

2. Formation de l'atmosphère

Avant même la présence d'eau ou d'une magnétosphère, le plus important dans l’évolution de la Terre fut la formation de l’atmosphère car c’est le mélange approprié des gaz qui favorisa l’émergence de la vie à partir des océans et sa survie. 

De nos jours, la Terre dispose d'une atmosphère composée de 78% en volume (75.5% en masse) d'azote et de 21% d'oxygène plus d'infimes quantités d'argon, de gaz carbonique et d'autres éléments, y compris solides. Ce n'est plus du tout la composition de l'atmosphère primitive capturée du disque protosolaire par gravitation qui se rapprochait de celle de Jupiter, à savoir constituée d'environ 81% d'hydrogène et de 18% d'hélium, elle-même proche de celle du Soleil (92% d'hydrogène et 7.8% d'hélium).

L'atmosphère terrestre était autrefois très différente de celle composée d'oxygène que nous respirons aujourd'hui. Lorsque la Terre s'est formée il y a 4.6 milliards d'années, une mince enveloppe d'hydrogène et d'hélium enveloppait notre planète encore en fusion.

Le jour se lève durant l'Hadéen sous une atmosphère brûlante et irrespirable et des terres à peine émergées et arides. Document T.Lombry

Qu'est devenue cette atmosphère primitive ? Plusieurs hypothèses ont été proposées mais aucune n'est totalement satisfaisante ou autosuffisante.

Tout d'abord nous savons que les planétésimaux, de grosses météorites et l'astéroïde Théia (l'impacteur qui donna naissance à la Lune) contenaient non seulement des roches et des métaux mais également des gaz et vraisemblablement beaucoup de glace d'eau. Au moment de leur impact avec la jeune Terre en formation, une partie de l'énergie de choc fut transmise aux éléments légers qui ont acquis suffisamment d'énergie pour se libérer de l'attraction terrestre. Mais en même temps, d'autres impacteurs ont apporté des éléments volatils sur Terre, si bien que nous ignorons quel fut le bilan final de ces collisions.

Avant la mise en place du champ géomagnétique (avant 4.4 milliards d'années, voir plus bas), le flux de particules chargées transportée par le vent solaire était suffisamment intense pour souffler les éléments les plus légers qui se sont dispersés dans le milieu interplanétaire. Mais même s'il y avait eu un champ magnétique à cette époque, il aurait été sans effet devant la puissance du vent solaire. En effet, comme évoqué plus haut, des simulations indiquent que durant le premier milliard d'année le Soleil tournait sur lui-même trois fois plus rapidement qu'aujourd'hui et son activité était un peu plus intense. Selon l'astrophysicienne Prabal Saxena du centre Goddard de la NASA, l'atmosphère primordiale d'hydrogène et d'hélium de la Terre disparut en 200 millions d'années.

En parallèle, à une époque où la couche d'ozone n'était pas encore constituée faute d'oxygène, sous l'effet du rayonnement UV, la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère fut photodissociée en atomes d'hydrogène qui se sont également échappés dans l'espace.

Ensuite, l'activité solaire s'est calmée, ce qui permit à l'atmosphère de se reconstituer et de retenir l'eau liquide.

En résumé, nous avons de la chance que l'atmosphère de la Terre ait survécu à cette période tourmentée. Si le Soleil présentait une rotation plus rapide, il aurait produit des éruptions 10 fois plus violentes et beaucoup plus fréquentes (jusqu'à 10 éruptions par jour). Même le champ magnétique terrestre n'aurait pas suffi à le protéger. Les éruptions solaires et en particulier les éjections de matière coronale (CME) auraient soufflée l'atmosphère, réduisant d'autant la pression atmosphérique sur Terre qui n'aurait jamais pu retenir l'eau liquide. La Terre serait devenue un endroit beaucoup plus hostile.

La signature des planètes. Document NASA.

Bien que disparue depuis au moins 4.4 milliards d'années, les géochimistes ont découvert que des reliques de cette atmosphère primitive existent encore dans l'atmosphère et le manteau terrestre. En effet, des traces isotopiques d'hélium-3 (7x10-6 ppm) dont l'existence est liée sans équivoque à la nucléosynthèse solaire et donc contemporains de la formation de la nébuleuse protosolaire sont présents dans l'air ainsi que sur les dorsales océaniques où 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. Ainsi, en Islande on a découvert que la concentration en hélium-3 est jusqu'à 37 fois plus élevée que celle de l'hélium-4. Même conclusion pour l'excès en isotope du néon-20 qui est plus proche de la composition du Soleil que de celle de l'atmosphère terrestre.

Quant aux composés de l'atmosphère actuelle, nous savons depuis les années 1950 que les gaz contenus dans l’atmosphère proviennent de l’intérieur de la Terre. En effet, à l'époque où les planétésimaux se sont agglomérés, ils ont capturé le gaz du disque avant que celui-ci se dissipe. Ils ont donc emprisonnés des gaz qui se sont ensuite échappés du sol et du magma, formant par la même occasion probablement 60% de l’eau des océans et l’atmosphère.

En draguant les fonds abyssaux à la recherche de roches primitives, les chercheurs découvrirent que 80 à 85% de l’atmosphère s’échappa durant le premier million d‘années de formation de la Terre. Le restant fut libéré lentement mais de façon continue pendant les 4.4 milliards d’années restants.

Entre 4.56 et 4.40 milliards d'années, le dégazage intensif des éléments volatils a permis de remplacer l'atmosphère primitive héritée du Soleil par des éléments volatils extraterrestres ou résultant de transformations chimiques locales. La température à la surface de la Terre passa progressivement de plus de 2000°C à moins de 300°C, tout le gaz se trouvant encore à l'état de vapeur.

En surface, la pression (partielle) de la vapeur d'eau était de 270 bars (contre 17 millibars à 15°C aujourd'hui), celle du gaz carbonique était comprise entre 40 et 210 bars selon qu'on prend en compte uniquement le gaz carbonique de l'air ou également celui séquestré dans le manteau (contre ~0.44 mbar ou 440 ppm aujourd'hui) avec un très important effet de serre.

La structure de l'atmosphère primitive était donc à prédominance de gaz carbonique et d’azote (cf. J.Kasting, 1984, 1993). Elle 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. Sa composition était alors identique à celle de Vénus aujourd'hui et trop chaude pour supporter une forme de vie.

Ensuite, entre 4.4 et 4 milliards d'années, malgré la condensation du gaz carbonique dans les océans, il resta le composant majoritaire de l'atmosphère où sa pression partielle était d'au moins 40 bars et la température d'au moins 200°C en surface au début de la période.

On ignore ce qui s'est produit dans l'atmosphère entre 4.4 et 2.5 milliards d'années. Deux hypothèses ont été proposées sur base des modèles informatiques et des rares indices découverts à ce jour : soit la Terre s'est refroidie jusqu'à provoquer une glaciation majeure soit l'effet de serre a diminué mais est resté important.

Dans tous les cas, à partir de 4.4 milliards d'années, la Terre subit un lessivage des roches silicatées tant au fond des océans (basaltes) que sur les surfaces émergées (granitoïdes) qui libéra de grandes quantités de silice et de bicarbonate, ce dernier précipitant ensuite sous forme de carbonate de calcium, donnant naissance à la craie.

Résultat de ces réactions, en l'espace de 10 millions à plus de 100 millions d'années selon les modèles, on estime que le gaz carbonique se trouva piégé dans les carbonates mais on ignore en quelles quantités. Au fond des océans, il fut recyclé dans les zones de subduction puis séquestré dans le magma tandis que dans l'atmosphère cette réaction aurait pu faire chuter la pression de gaz carbonique jusqu'à 0.2 ou 1 bar.

Dans le second modèle, sur bases des mesures isotopiques de l'oxygène et du silicium présents dans les roches Hadéennes, la température en surface et dans l'eau resta élevée si bien qu'on estime que la pression du gaz carbonique devait être de l'ordre de 3 bars.

Notons que certains auteurs avancent l'hypothèse que vers 3.8 milliards d'années l'atmosphère était riche en méthane et que des organismes méthanogènes auraient pu enrichir l'atmosphère en ce gaz à puissant effet de serre. Mais aucune preuve ne supporte cette théorie qui reste controversée.

Comme nous l'avons expliqué, c'est entre 4.4 et 4.1 milliards d'années que l'oxygène commença à "empoisonner" l'atmosphère. Progressivement, en l'espace de 300 à 600 millions d'années, ce gaz mortel à forte concentration fut mis à profit par les premiers organismes qui apprirent à l'utiliser dans leur métabolisme.

Compte tenu de la productivité de l'azote, du gaz carbonique et de la vapeur d'eau, on estime que la production de molécules organiques s'est bien déroulée dans l'atmosphère durant tout l'Hadéen et peut-être même jusqu'à la fin de l'Archéen (il y a 2.5 milliards d'années) mais pas encore dans l'océan compte tenu de la durée de vie limitée de ces molécules dans un milieu où la température et la pression restaient très élevées.

Quant à l'effet de serre évoqué plus haut, il faut tenir compte de la quantité importante de méthane (CH4) dégazé par le manteau terrestre il y a plus de 3.5 milliards d'années dont la production fut ensuite largement épaulée par les micro-organismes méthanogènes. Si aujourd'hui le méthane est dégradé par l'oxygène en quelques années (demi-vie de 7 ans), durant l'Archéen le méthane a pu facilement s'accumuler dans l'atmosphère, augmentant sensiblement l'effet de serre.

Mais ce méthane n'a jamais présenté de concentration très élevée car au-delà de 10% de la concentration de gaz carbonique, il se polymérise en formant des macromolécules comme l'éthane (C2H6). Il forme alors une brume de matière organique qui filtre la lumière solaire et refroidit donc la surface. Notons qu'aujoud'hui l'éthane représente une importante source d'énergie au même titre que le butane, le propane et les autres gaz naturels carbonés.

Finalement, vers 2 milliards d'années, la pression partielle d'oxygène dépassa celle du gaz carbonique pour atteindre le niveau actuel, tandis que la concentration de gaz carbonique continua à chuter. Malheureusement, l'apparition de l'homme a changé tout l'écosystème. L'industrialisation a fait remonter le taux de gaz carbonique qui correspond aujourd'hui (plus de 400 ppm depuis 2016) au taux existant il a plus de 2.5 millions d'années accompagné d'une hausse moyenne de la température supérieure 1°C par rapport à la période pré-industrielle. On reviendra sur l'effet de serre.

3. Formation de la magnétosphère

Ainsi que nous l'avons expliqué à propos du champ magnétique de la Terre, nous possédons des mesures paléomagnétiques attestant que le champ géomagnétique existait déjà il y a 3.45 milliards d'années. Des zircons découverts à Jack Hills en Australie (cf. A.Witze, 2015) suggèrent que le champ géomagnétique aurait déjà été actif entre 4 et 4.2 milliards d'années, soit à peine 500000 à 300000 ans après l'aggrégation des premiers planétésimaux. Cette dynamo se serait déclenchée suite à la cristallisation du dioxyde de silicium ou du dioxyde de magnésium dans le noyau sous une pression supérieure à 140 GPa et une température supérieure à 4000°C forçant la remontée des matières en fusion, ce qui déclencha l'effet dynamo. On a également découvert qu'il y a 565 millions d'années le champ géomagnétique est passé d'une faible intensité et un comportement erratique à un état plus stable. Cela pourrait suggérer que le noyau interne se serait seulement solidifié à cette époque.

La magnétosphère de la Terre se serait formée il y a plus de 4.2 milliards d'années suite à la cristallisation du fer dans le noyau interne et la formation du noyau externe fluide. Elle nous protège des rayonnements nocifs du Soleil et empêche l'atmosphère d'être arrachée par le vent solaire. Documents T.Lombry et Michael Osadciw/U.Rochester.

Comme évoqué plus haut, avant 4.4 milliards d'années, la proto-Terre était dépourvue de champ magnétique. De ce fait, elle subissait de plein fouet les effets des éruptions solaires, raison pour laquelle elle perdit son atmosphère primordiale. Ensuite, au terme de quelques milliards d'année la rotation solaire devint trois plus lente et l'activité solaire se calma, permettant à la géomagnétosphère d'assurer pleinement son rôle, protégeant à la fois l'atmosphère et plus tard les premières formes de vie des aléa de la météo spatiale aux effets souvent délétères.

4. Formation des océans

Les océans se sont formés dès l'Hadéen (entre 4.5-3.8 milliards d'années) suite au dégazage intensif du manteau terrestre. En effet, l'analyse isotopique de l'eau et notamment de l'hydrogène (1 proton) et du deutérium (1 proton + 1 neutron) montre que l'eau de mer contient la même proportion de deutérium que les micrométéorites qu'on retrouve notamment en Antarctique. Ces roches se sont formées directement suite à la condensation de la nébuleuse protosolaire.

Chauds, acides et très salés, sous une atmosphère plombée encore plus chaude, orange et suffocante de gaz carbonique, les océans verts et encore stériles de l'Hadéen n'avaient rien d'attirant. Document T.lombry.

Que l'eau ait existée sous forme moléculaire (H2O) ou cristallisée (OH) dans les minéraux, elle s'est libérée et continue à se libérer sous l'effet de la chaleur régnant dans le manteau. Favorisant localement sa fusion, le magma moins dense remonte en surface via les cheminées volcaniques. Ensuite, les gaz sont libérés au cours des éruptions volcaniques et sont transportés dans l'atmosphère. L'eau se condense et retombe sous forme de pluie sur la surface de la terre. C'est ce cycle qui a formé un ou plusieurs océans, faisant tomber sur terre des déluges de pluie accompagnés de tempêtes et d'ouragans pendant des millions d'années !

La découverte de fossile de pluie, c'est-à-dire de l'empreinte de gouttes de pluie dans des matériaux meubles et les résultats de leur analyse (leur forme, leur taille, leur vitesse, etc.) ont permis d'évaluer la pression atmosphérique à l'époque de leur chute. Ces données, complétées par des modèles climatiques ont permis de déduire que l'intensité des pluies s'est fortement réduite à l'Archéen (voir plus bas), devenant pas plus de deux fois plus intense qu'aujourd'hui.

Des traces archaïques de zircon contenant de minuscules diamants ont été découvertes à l’ouest de l’Australie remontant entre 4.1 et 4.4 milliards d’années[2]. Ces diamants contiennent des traces d'oxygène terrestre, apportant la preuve que de l'oxygène et de l'eau chaude existaient déjà sur la Terre il y a 4.4 milliards d'années.

Nous assistons ensuite à une première vague de bombardements cométaires, peut-être suivie d'une seconde. Etant donné que plusieurs comètes visitées par les sondes spatiales ne présentent pas la même abondance isotopes que celle les océans, si elles ont probablement participé au remplissage des fosses océaniques, la contribution des comètes ne peut pas dépasser 30 à 40% de la masse d'eau selon les dernières estimations (les valeurs inférieures à 10% de la masse des océans étant contredite par les données récentes). On y reviendra à propos de l'origine de l'eau terrestre et de sa présence ailleurs dans l'univers.

La couleur des océans primitifs

Si nous savons à présent que les océans primordiaux étaient chauds et acides, quelle était leur couleur ? Dans une atmosphère majoritairement composée de gaz carbonique et donc réductrice, les pluies étaient acides et ont facilement désagrégé les minéraux silicatés. Le fer n'a pas été oxydé comme aujourd'hui en donnant sa couleur rouge aux continents mais s'est libéré dans les océans sous forme soluble, leur donnant une couleur verte. Aujourd'hui, on trouve encore cette couleur dans les lacs acides d'origine volcanique comme ceux du parc de Yellowstone aux Etats-Unis ou à Kawa Ljen en Indonésie. Certains affichent un pH quasiment négatif !

Il faudra ensuite attendre quelques centaines de millions d'années pour que les premières colonies de stromatolites (voir page suivante) libèrent de l'oxygène dans les océans et que le fer dissous s'oxyde, donnant à la mer une couleur orange avant qu'elle s'éclaircisse comme on l'observe aujourd'hui.

Formation du sel marin

Quelle était la salinité des océans primitifs ? L'origine actuelle du sel marin composé de chlore et sur lequel nous reviendrons dans l'article consacré à la Terre a peu de chose à voir avec celle des océans primitifs. Si aujourd'hui les océans contiennent en moyenne 35 g de sel par litre, durant l'Archéen la quantité de sel devait être voisine de 60 g par litre. A cette époque, il existait encore peu de cratons ou continents émergés (voir ci-dessous) et donc peu de possibilités d'évaporation de l'eau salée. Le sel s'est donc formé différemment qu'aujourd'hui et a plusieurs origines.

D'abord, comme dans le cas de l'eau, ce sont les remontées de gaz volcaniques issus du manteau terrestre qui ont donné naissance au chlore parmi d'autres gaz (CO2, F, He, etc.) suite à la décomposition des matières volatiles. Un second vecteur est représenté par les météorites, en particulier les chondrites contenant des chondres ou sphérules de silicates fondus. Tous ces matériaux ont forgé la Terre primitive et les plus légers se sont finalement retrouvés en surface où il furent érodés et transportés par l'eau et le vent jusqu'à la mer.

5. Émergence des continents : une histoire Archéenne

L’émergence des continents est beaucoup plus tardive. Pour les géologues et les micropaléontologues, les plus vieux sédiments que l’on retrouve à Ishua au Groenland, en Inde et au Gabon remontent entre 3.7 et 3.8 milliards d’années, c'est-à-dire à l'Archéen. D’autres plaques tectoniques, telle la région d’Acastagneiss située sur la partie ouest du bouclier canadien sont âgées de 3.96 milliards d’années.

Gros-plan sur le bouclier canadien (la surface orange, rose et ocre). Il recouvre presque la moitié de la superficie du Canada. Yellownife se trouve sur la bordure ouest du bouclier canadien. Document USGS.

Il n'existe que trois endroits dans le monde contenant des roches de plus de 4 milliards d'années : à Pilbara situé dans l'ouest de l'Australie, dans le bouclier canadien (plateau laurentien) ainsi qu'au nord des Territoires du Nord-Ouest du Canada où il existe des roches métamorphiques comme des granites et des zircons très anciens ayant fait partie des cratons.

En 2017, les géochimistes Jonathan O’Neil de l'Université d'Ottawa et Richard Carlson de la Carnegie Institution de Washington DC ont publié dans la revue "Science" une étude décrivant la découverte de roches appartenant à la croûte terrestre originelle. Ces roches furent découvertes dans les collines basses (elles furent érodées durant le dernier âge glaciaire) situées aux abords de la baie d'Hudson, au nord-est du Canada.

Comme on le voit ci-dessous à gauche et au centre, la pierre ressemble presque à n'importe roche brute : grise, dure, informe. C’est un granite d'apparence ordinaire mais qui cache un trésor. En effet, grâce à une nouvelle technique de datation, les deux chercheurs ont découvert dans ces échantillons des traces de samarium-146, un élément des terres rares, radioactif et donc instable dont la demi-vie est de 103 millions d'années. On ne trouve cet élément que dans la toute première croûte terrestre. Au cours de sa décroissance, il forme différents isotopes-fils dont le néodyme-142 précité. C'est en mesurant au spectromètre de masse la proportion des différents isotopes qu'on peut déterminer ceux qui proviennent d'une ancienne roche formée avant la disparition du samarium-146. En appliquant cette méthode, O'Neil et Carlson ont pu déterminer que le granite s'est formé par métamophisme il y a 2.7 milliards d'années et que le basalte originel s'est formé il y a au moins 4.2 milliards d'années, un record absolu. Autrement dit, cet élément aurait été incorporé dans une roche basaltique pendant 1.3 milliard d’année avant de se transformer en granite.

Cela signifie surtout que les basaltes qui se sont transformés en granite de 2.7 milliards d'années ont survécu pendant 1.5 milliard d'années avant de subir les processus destructeurs de la subduction et du métamorphisme. Aujourd'hui, une telle survie serait impossible en raison des déplacements des plaques tectoniques qui renouvelle les basaltes en une centaine de millions d'années.

Comme un fossile conserve les détails des structures originelles, bien que la roche se soit transformée au fil des éons, elle ressemble encore fortement à la roche initiale. "C'est un basalte correspondant parfaitement à la composition de la roche précurseur que nous pensons être à l’origine de tout", a expliqué O'Neil. La vidéo ci-dessous décrit cette découverte.

En résumé, deux hypothèses peuvent expliquer la survie de ces basaltes. Selon la première théorie, les basaltes qui ont formé les granites du Canada proviendraient d'un gigantesque bloc rocheux qui résista à la subduction pendant 1.5 milliard d'années. Selon une seconde théorie, les mouvements tectoniques à l'époque de la Terre primitive étaient très lents voire inexistants, ce qui aurait permis aux basaltes de "flotter" à la surface de la Terre beaucoup plus longtemps que sous le régime actuel. Cette seconde hypothèse est supportée par d'autres résultats publiés en 2017 par Tim Johnson et ses collègues indiquant qu'il n'existait peut-être pas de plaques tectoniques à l'époque de la Terre primitive et donc que les premiers continents ne se sont pas formés par subduction. Cette hypothèse contredit évidemment l'idée que les plaques tectoniques expliqueraient le mieux l'évolution géodynamique de la Terre durant le premier milliard d'années. Mais une deuxième découverte que nous allons décrire tout de suite va dans le même sens que la proposition de Tim Johnson.

A voir : An Original Part of Earth's Crust Discovered

A gauche, le granite qu"on trouve sur les rives est de la baie d'Hudson contiennent des traces de la croûte terrestre primitive. Au centre, un échantillon de granite daté de 4.2 milliards d'années, un record absolu. A droite, un échantillon de roche découvert à 300 km au nord de Yellowknife, dans les Territoires du Nord-Ouest, au Canada. La datation des inclusions de zircon indique qu'elle remonte à 4.02 milliards d'années. Documents J.O’Neil et R.Carlson/Carnegie Institution et J. R. Reimink et al.

Comme on le voit ci-dessus à droite, un autre échantillon de roche très ancien fut découvert à 300 km au nord de Yellowknife, dans la partie ouest du bouclier canadien, à 2200 km environ à l'ouest du site de la baie d'Hudson. Selon une étude publiée en 2016 dans la revue "Nature Geoscience" par le géophysicien Jesse R. Reimink de l'Université d'Alberta et son équipe, les zircons incrustés dans cette roche indiquent sans ambiguïté qu'elle remonte à environ 4.02 milliards d'années, approchant de peu du record précité.

Les signatures chimiques de cette roche furent analysées afin de comprendre comment le magma s'infiltra et interagit avec la roche et notamment avec les zircons. L'une de ces signatures enregistra l'assimilation du magma provenant de l'écorce terrestre. En effet, pendant son refroidissement, le magma réchauffe et fait fondre les roches autour de lui dont on peut encore trouver quelques traces aujourd'hui. La roche découverte près de Yellowknife en fait partie car elle provient d'une couche de roche fondue qui a interagit avec du magma plus ancien. Les traces de cette interaction sont visibles dans les cristaux de zircon.

L'échantillon ne présente aucune signature de l'écorce continentale. Si cela soulève plus de questions qu'elle n'en résout pour les géologues, elle révèle un fait en faveur de la théorie de Tim Johnson évoquée ci-dessus à propos de l'absence de plaque tectonique à cette époque ancestrale. En effet, cette roche suggère que la Terre d'il y a 4 milliards d'années était recouverte d'une surface solide similaire à la croûte océanique (celle qui forme le fond des océans) et non pas d'une croûte continentale comme on s'y attendait. Cette roche est donc précieuse car sa signature chimique unique révèle comment les premiers continents se sont formés et renseigne les scientifiques sur la nature des premières écorces terrestres.

Paysages chaotiques de la Terre primitive durant l'Archéen, il y a 3.8 milliards d'années. Notons qu'à cette époque, la plupart des formations lunaires étaient déjà en place. Documents T.Lombry et Welkor3D.

En résumé, la découverte des deux roches de plus de 4 milliards d'années dans le nord du Canada suggère que pendant l'Hadéen il n'existait pas encore de continents. Mais cela ne veut pas dire que la Terre n'était qu'un océan de magma comme on le croyait encore à la fin du XXe siècle ou qu'il n'y avait pas de "points chauds". Que du contraire ! La Terre de l'Hadéen était déjà couverte de cratons et d'îles volcaniques plus ou moins étendues dispersées dans un océan verdâtre aux effluves acides. On en déduit que les plaques tectoniques sur lesquelles reposent les continents et beaucoup d'îles se sont formés il y a moins de 4 milliards d'années, durant l'Archéen.

Effets de l'érosion et de la Lune

Sur le plan paléontologique, en raison de la longévité des roches continentales, quand les conditions géophysiques et climatiques le permettent, on peut y trouver les traces fossilisées des premières formes de vie, y compris parfois leurs parties molles comme en Australie, et même dans les montagnes en raison du soulèvement des plaques tectoniques. Ces fossiles ne sont toutefois pas très nombreux car l’activité géologique, l’érosion et le métamorphisme ont détruit la plupart des roches primitives. Peu de fragments ont survécu à cette machine géologique infernale.

Le cycle des roches terrestres. Document The Geological Society adapté par l'auteur.

Notons que pour un paléontologue comme pour un archéologue, outre l'activité géologique qui peut effacer toute trace de vie en quelques minutes, le climat, l'érosion des sols et la décomposition des organismes jouent un rôle très pénalisant. C'est encore plus vrai dans les régions humides où les restes des organismes morts pourrissent et disparaissent avant leur momification ou leur fossilisation. C'est l'une des raisons qui rend le travail de ces chercheurs difficile quand il faut retracer la distribution d'une population ou l'origine géographique d'une espèce sachant que le manque de fossiles dans une région ne signifie pas que l'espèce n'y a pas vécu.

Concernant la durée du jour, durant l'Hadéen la période de rotation de la Terre était inférieure à 6 heures puis elle s'est fortement ralentie en l'espace d'un milliard d'années. On estime que durant l'Archéen cette durée a progressivement augmenté de 14 à 18 heures entre 3.8 et 2.5 milliards d'années. Il y a 550 millions d’années encore, au tout début du Cambrien, les premiers animaux marins devaient se contenter de 20 heures, la coquille du nautile par exemple en apportant la preuve (chaque jour la plupart des invertébrés marins ajoutent une strie à leur coquille. L'étude de leurs fossiles permet donc de calculer la durée du jour depuis le Cambien). Ce phénomène est intéressant à noter car il eut un effet sur le climat, sur la vitesse des vents et l'érosion des sols ainsi que sur le métabolisme des organismes qui se sont progressivement adaptés à ce changement.

Durant l'Hadéen, les vents devaient être très violents avec une houle très impressionnante, d'autant que les continents n'existaient pas encore et que la Lune était alors beaucoup plus proche de la Terre, à moins de 25000 km de distance, générant des effets de marée et des interactions gravitationnelles de plus fortes amplitudes. Il faudra attendre le début de l'Archéen pour que la Lune s'éloigne jusqu'à 100000 km de distance. Par endroit, l'amplitude des marées atteignit une centaine de mètres de hauteur ! Les rivages étaient donc soumis à une érosion intense, générant des débris et des dépôts importants de sédiments dans les dépressions.

Comme nous l'avons expliqué, sous l'effet des pluies acides le fer présent dans les roches s'est dissout dans les océans, donnant aux continents une couleur grise bordés par des eaux acides et vertes, un milieu qui est resté franchement invivable jusqu'à la fin de l'Hadéen. Parfois, on peut encore retrouver des roches Archéennes sous forme de sables ou de galets érodés d'uraninite (du minerai d'uranium) et de pyrite (sulfure de fer), les rares témoins de cette époque primordiale.

Le recyclage des supercontinents

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 (cf. ce schéma).

Les continents sont les seules structures de la croûte 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.

Malgré l'érosion et le recyclage ininterrompu des plaques tectoniques, nous avons des preuves que plusieurs supercontinents se sont formés aux cours des temps géologiques, mais jusqu'à présent on ignorait si ce processus dépendait d'un cycle de formation. On sait aujourd'hui que les supercontinents se forment périodiquement et qu'ils ne sont pas tous identiques.

Dans une étude publiée par l'équipe de Zheng-Xiang Li de l'Université Curtin d'Australie dans la revue "Precambrian Research" en 2019, les chercheurs ont découvert que les supercontinents se forment et se divisent en cycles alternés qui préservent parfois le superocéan environnant ou le coule pour ainsi dire dans la croûte terrestre et le recycle dans le manteau.

Les géophysiciens sont de plus en plus convaincus que les continents et supercontinents sont recyclés et se fondent en une masse géante tous les 600 millions d'années en moyenne. Il y a d'abord eu Nuna (également appelé Columbia) qui émerga entre 1.6-1.4 milliard d'années. Puis il se divisa et fusionna pour former Rodinia il y a environ 900 millions d'années. Rodinia se divisa il y a 700 millions d'années. Puis, il y a environ 320 millions d'années, la Pangée se forma.

A voir : La dérive des continents depuis 3.3 milliards d'années

La faille ou rift dans le parc national de Thingvellir situé près de Reykjavik dans le sud-ouest de l'Islande où on peut observer la plaque nord américaine (à gauche de chaque image) se sépare de la plaque eurasienne (à droite de chaque image). DocumentTodd Hakla/Flickr et Visit South Iceland.

Selon Li et ses collègues, il existe des traces dans la circulation du manteau qui semblent bien correspondre à ce cycle de 600 millions d'années. Cependant, certains gisements de minéraux et d'or ainsi que des signatures géochimiques dans des roches anciennes se reproduisent selon un cycle plus long, plus proche d'un milliard d'années.

Selon les simulations réalisées par les chercheurs, la Terre présente deux cycles simultanés : un cycle de supercontinent de 600 millions d'années et un cycle de superocéan de plusieurs milliards d'années. Chaque supercontinent se divise et se reforme selon deux méthodes alternées appelées "introversion" et "extraversion".

Pour comprendre l'introversion, il faut imaginer un supercontinent entouré d'un seul superocéan. Le supercontinent commence à se briser en morceaux séparés par un nouvel océan intérieur. Puis, pour une raison quelconque, les processus de subduction commencent dans ce nouvel océan intérieur. Dans ces zones de subduction, la croûte océanique plonge à nouveau dans le manteau chaud de la Terre. L'océan intérieur est ainsi recyclé tandis qu'un nouveau supercontinent émerge, entouré du même superocéan qu’autrefois.

L’extraversion en revanche crée à la fois un nouveau supercontinent et un nouveau superocéan. Dans ce cas, un supercontinent se sépare, créant un océan intérieur. Mais cette fois, la subduction ne se produit pas dans l'océan intérieur mais dans les superocéans entourant le supercontinent en train de se diviser. Ensuite, la Terre engloutit le superocéan, entraînant la croûte continentale qui dérive à travers le monde. Le supercontinent se trouve littéralement à l'envers : ses anciennes côtes sont écrasées et deviennent son nouveau centre tandis que le centre du continent se brise est à présent sur la côte. Pendant ce temps, l’océan jadis intérieur est maintenant un tout nouveau superocéan qui entoure le nouveau supercontinent.

Du supercontinent Nuna à Rodinia et de la Pangée à Gondwana aux continents actuels

Au cours des deux derniers milliards d'années, introversion et extraversion se sont succédées. Dans ce scénario, le supercontinent Nuna s'est morcelé puis forma Rodinia par introversion. Le superocéan de Nuna a donc survécu pour devenir le superocéan de Rodinia que les scientifiques ont surnommé Mirovoi. Nuna et Rodinia ont des configurations similaires, ce qui renforce l'idée que Nuna s'est tout simplement transformé pour mieux renaître.

A lire : Earth's Supercontinents, The Dialogue

A gauche, le morcellement du supercontinent Nuna (Columbia) qui s'est produit voici 1.6 à 1.2 milliard d'années. Au centre, le supercontinent Gondwana il y a 420 millions d'années. A droite, la Pangée il y a 300 millions d'années. L'Amérique du Nord et centrale est à gauche, l'Afrique à droite. Voici une autre représentation de la Pangée. C'est le contact entre ces différents supercontinents puis leur séparation qui explique la distribution des mêmes espèces sur plusieurs continents aujourd'hui isolés ou l'isolement et la spéciation d'autres espèces.

Ensuite la croûte océanique de Mirovoï commença à plonger par subduction dans le manteau. Rodinia se divisa en Proto-Gondwana et Proto-Laurasie lorsque son superocéan disparut mais le supercontinent réapparut de l'autre côté de la planète sous le nom de Pangée. Puis le nouvel océan formé par Rodinia se divisa et devint le superocéan de la Pangée, la Panthalassa.

Enfin, il y a 300 millions d'années la Pangée se morcela en Laurasie au nord (comprenant grosso modo les futures Eurasie et Amérique du Nord) et Gondwana au sud (Amérique du Sud, Afrique, Inde, Océanie, Antarctique). Les vestiges de Panthalassa ont survécu sous la forme de la croûte océanique du Pacifique.

Le Grand Adria

En 2016, des équipes de géologues sont parvenus à élaborer un "atlas du monde souterrain" rassemblant la collection des morceaux de croûtes terrestres qui se sont enfoncés dans le manteau. En parallèle, d'autres équipes ont mis à jour dans une trentaine de pays du pourtour Méditerranéen indiqués sur la carte ci-dessous à droite et en particulier dans le sud de l'Italie et sur la côte croate, des roches ayant a priori appartenu à un ancien continent européen hypothétique dénommé le Grand Adria. Selon les géologues, certains restes de ce continent seraient aujourd'hui enfouis à quelque 1500 km de profondeur sous la surface de l'Europe. Mais cette hypothèse n'avait jamais été validée.

Localisation du Grand Adria, résultat de la dislocation de la Pangée, au nord du Gondwana, il y a 140 millions d'années. Aujourd'hui, il ne reste que quelques cailloux dans différents pays et principalement dans le sud de l'Italie et sur la côte croate. Document Van Hinsbergen et al., Gondwana Research (2019) adapté par l'auteur.

Dans un article publié en 2019 dans le journal "Gondwana Research", l'équipe de Douwe J.J. van Hinsbergen de l'Université d'Utrecht aux Pays-Bas présenta les résultats de la reconstruction de l'évolution tectonique de la Méditerranée depuis le Trias il y a 250 millions d'années. Les chercheurs ont retrouvé l'ancien continent du Grand Adria et ont pu reconstituer sa trajectoire. Remontons l'histoire.

Il y a 300 millions d'années, à l'époque de la dislocation de la Pangée, au nord du Gondwana des morceaux continentaux se détachèrent de l'Afrique du Nord et remontèrent vers l'Eurasie occidentale. Parmi eux, des futurs morceaux de l'Espagne, du sud de la France et le Grand Adria, un continent aussi vaste que le Groenland aujourd'hui pratiquement disparu.

Il y a 120 à 100 millions d'années, le Grand Adria percuta le continent européen. L'Europe résista mais le Grand Adria plongea dans le manteau terrestre. Bien que la collision tectonique se soit produite à une vitesse ne dépassant pas 3 à 4 cm par an, le choc brisa le morceau de croûte épaisse de 100 km et fit couler la majeure partie jusqu'au fond du manteau terrestre. Toutefois, quelques morceaux de la croûte supérieure échappèrent à la subduction et restèrent en surface.

Les chercheurs ont mis dix ans pour arriver à cette conclusion car il fallait non seulement collecter les roches, les analyser et déterminer la direction du champ magnétique figé en elles mais jusqu'aux années 2010 ils ne disposaient pas de logiciels et d'ordinateurs suffisamment puissants pour traiter toutes les données. De plus, le bassin Méditerranéen a toujours été un casse-tête pour les géologues. Selon van Hinsbergen, "La Méditerranée est un bazar géologique : tout y est courbé, brisé et empilé." Non seulement, il fut difficile de retrouver les pièces manquantes de ce puzzle géant mais ce fut un véritable défi de tenir compte de la dérive des continents et donc de reconstruire ce scénario qui s'étend dans l'espace et dans le temps sur 300 millions d'années.

L'avenir des continents

Que peut-on prédire pour le futur de la Terre ? Si ce scénario des deux derniers milliards d'années est plausible, il est difficile de savoir si les cycles étudiés représentent un véritable schéma fondamental. En effet, nous n'avons observé que trois cycles et on ne peut pas extrapoler des tendances sur si peu d'itérations et donc affirmer que ces cycles sont périodiques.

Selon Zheng-Xiang Li précité, si l'alternance est bien réelle, le prochain supercontinent se formera par introversion. Les océans intérieurs créés par la rupture de la Pangée - les océans Atlantique, Indien et Sud - vont se fermer. Le Pacifique s'agrandira pour devenir l'unique superocéan du nouveau continent. Les scientifiques ont déjà appelé ce futur supercontinent Amasia. Mais concrètement, on observe à l'heure actuelle que le Pacifique subit l'effet contraire : il rétrécit légèrement par subduction et cette tendance peut se poursuivre pendant des centaines de millions d'années.

L'avenir du supercontinent et du superocéan de la Terre reste donc incertain et les modélisations doivent être affinées et utiliser plus de données. Selon Li, les modèles qui tentent de combiner les mouvements des continents avec la dynamique interne du manteau pourraient aider à déterminer si les méthodes d'assemblage par introversion/extroversion sont réalistes. Certains géophysiciens tels que Mark Behn du WHOI estime que ces modèles sont probablement sur la bonne voie pour répondre à ces questions fondamentales de la tectonique des plaques.

Mais la question clé qui est de savoir ce qui dirige la tectonique des plaques reste sans réponse. Certains scientifiques pensent que la tectonique des plaques a commencé peu de temps après la formation de la Terre. D'autres pensent que cela commença il y a 3 milliards, 2 milliards ou un milliard d'années. Il faut donc encore un peu patienter afin que les chercheurs accumulent plus de données, un processus qui arrive seulement à maturité. On ne pourra donc faire l'analyse de toutes ces données que dans quelques années avec l'avantage de tirer profit de la puissance des superordinateurs de la nouvelle génération.

Prochain chapitre

L'apparition et le développement de la vie

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[1] L’âge de la Terre fut déterminé à partir d’horloges isotopiques. Cet âge est également confirmé dans les fragments météoritiques. Lire à ce sujet "Le Soleil, la Terre... la vie : La quête des origines," Robert Pascal et al., Belin/Pour la Science, 2009. Lire également les travaux de Bruce R.Doe et Robert E.Zartman de l’U.S.Geological Survey, de George W.Wetherill de la Carnegie Institution de Washington.

[2] Lire J. W. Valley et al., "Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography", Nature Geoscience, 2014. Lire les magazines “Nature” et “Geochimical and Cosmochimical Acta”, en particulier les travaux de David McGregor de l’Université de Maryland, Manfred Schidlowski de l’Institut Max Planck de Chimie, Stephen Moorbath de l’Université d’Oxford, Samuel Bowring du MIT et William Compston de l’Université Nationale de Canberra.


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