Photo courtoisie de Paul Mueller
Quelles sont les plus anciennes roches sur Terre, et comment se sont-elles formées ? Le matériau qui détient le plus d’informations sur ces questions fondamentales, car il peut contenir un enregistrement d’une partie de l’histoire la plus ancienne de la Terre, est un minéral appelé zircon. Par exemple, quelques grains de zircon découverts au début des années 1990 dans un grès de l’ouest de l’Australie datent de 4,2 à 4,3 milliards d’années, et nous savons, grâce aux météorites, que la Terre n’est pas beaucoup plus vieille, soit 4,56 milliards d’années. Les professeurs de géologie Darrell Henry, de l’université d’État de Louisiane, et Paul Mueller, de l’université de Floride, sont des experts de plusieurs techniques permettant d’extraire des informations précises sur l’âge des zircons. Ils recherchent certaines des plus anciennes roches de la croûte continentale, les zircons qu’elles contiennent et les indices que ces derniers renferment sur la formation de la planète.
Originalement formés par cristallisation à partir d’un magma ou dans des roches métamorphiques, les zircons sont si durables et résistants aux attaques chimiques qu’ils disparaissent rarement. Ils peuvent survivre à de nombreux événements géologiques, qui peuvent être enregistrés dans des anneaux de zircon supplémentaires qui se développent autour du cristal d’origine comme des anneaux d’arbre. Comme une minuscule capsule temporelle, le zircon enregistre ces événements, dont chacun peut durer des centaines de millions d’années. Pendant ce temps, le noyau du zircon lui-même reste inchangé et conserve les caractéristiques chimiques de la roche dans laquelle il a cristallisé à l’origine.
Le zircon contient l’élément radioactif uranium, que le Dr Mueller appelle « l’horloge à l’intérieur du zircon » car il se convertit en élément plomb à un rythme spécifique sur une longue période de temps. Selon M. Mueller, cela fait des zircons « le chronomètre naturel le plus fiable dont nous disposons lorsque nous voulons étudier les débuts de l’histoire de la Terre ». Il poursuit en expliquant qu’il existe deux façons de mesurer le temps en géologie. « L’une est un temps relatif, ce qui signifie que s’il y a un minéral d’un certain type, et que se développe autour de lui un minéral d’un second type, vous savez que le minéral intérieur s’est formé en premier, mais vous ne savez pas combien de temps s’est écoulé entre les deux. » Henry évalue ces types de relations entre minéraux dans les roches. À partir des types de minéraux et de leur répartition dans les roches, il reconstruit une séquence relative d’événements qui reflète l’évolution dans le temps de paramètres comme la pression, la température et la déformation. « Si j’ai une roche métamorphique, explique M. Henry, je peux utiliser les types de minéraux et leur composition chimique pour déterminer les conditions que la roche a connues à un moment donné de son histoire. Par exemple, une température de 700°C et une pression élevée de plusieurs milliers de fois la pression atmosphérique impliquent qu’elle se trouvait profondément dans la croûte à un moment donné de son histoire géologique. » Il déduit ce qui est arrivé aux roches, mais pas à quand cela remonte. C’est là qu’intervient le deuxième type de temps : absolu par rapport au relatif. « Nous essayons de fournir le quand », explique Mueller. « Mon travail consiste à examiner la chimie de la roche, y compris ses isotopes, et à essayer de déduire les temps absolus des événements qui sont enregistrés dans la roche et ses zircons. »
Quelle est la précision de ces chiffres réels ? « Selon l’histoire de la roche, nous pouvons aujourd’hui dater les choses à quelques centièmes d’un pour cent de son âge », répond M. Mueller. Cela se traduit, par exemple, par un million d’années en plus ou en moins sur trois milliards. La datation au carbone 14 ne peut remonter plus loin que 70 000 ans environ, car la demi-vie du carbone 14 n’est que de 5 730 ans. (La demi-vie est le temps qu’il faut à la moitié de l’isotope radioactif d’origine pour se transformer en un autre élément). En comparaison, la demi-vie de l’isotope radioactif de l’uranium 238 est de 4,5 milliards d’années, ce qui le rend utile pour la datation de matériaux extrêmement anciens.
La chronologie du zircon commence sur le terrain. « Vous allez chercher des relations d’âge relatives, voir quelle unité rocheuse s’est formée en premier », explique Henry. « Par exemple, il peut y avoir un granite qui contient des morceaux d’autres types de roches enfermés dans le granite. En raison de leur position, nous savons que les roches enfermées dans le granite doivent être plus anciennes. » Les géologues cartographient une zone pour identifier ces relations d’âge relatif. Puis ils prélèvent des échantillons, qui pèsent de deux à plus de cent livres, selon le type de roche. Les zircons ne sont pas rares ; en fait, ils sont courants dans les roches granitiques. Mais ce sont de minuscules grains qui ne représentent qu’une petite fraction d’un échantillon donné, généralement moins d’un dixième de pour cent, et ils sont dispersés dans la roche. La séparation des zircons est donc un processus laborieux. La roche est broyée pour la décomposer en grains minéraux individuels. Puis, « comme le zircon est plus dense que presque tous les autres minéraux, nous plaçons la roche broyée dans un liquide de très haute densité afin que seuls les minéraux les plus denses tombent au fond », explique M. Henry. En d’autres termes, dit M. Mueller, « les zircons coulent ». Nous utilisons également les qualités magnétiques des zircons pour séparer les plus vierges du reste. »
Puis le travail de géochronologie détaillée commence. « Je vais prendre une fraction de ces zircons, en faire de fines sections – des tranches de minéraux de trente micromètres d’épaisseur, à peu près aussi épaisses qu’un cheveu, qui sont montées sur du verre – et me faire une idée de ce à quoi ils ressemblent en termes de modèle de zonage, s’ils ont subi de multiples épisodes de croissance, à quel point ils sont simples ou complexes », explique Henry. Il transmet ces informations à Mueller, ainsi que le contexte géologique de l’échantillon. « J’examine également une fine section de la roche pour en savoir plus sur le cadre dans lequel se trouve le zircon. Est-il dans un granite ? Ou dans une roche métamorphique qui a eu une histoire plus complexe ? Ou bien s’agit-il d’une roche sédimentaire métamorphosée ? En connaissant son histoire, nous pouvons beaucoup mieux interpréter l’âge de la roche. »
« Pour comprendre l’histoire géologique relative d’une roche, Darrell utilise des coupes fines parce qu’il s’intéresse aux relations entre tous les minéraux, qui composent la roche », explique Mueller. « Cependant, pour la géochronologie, nous nous intéressons aux minéraux qui représentent un dixième de un pour cent ou moins. » Il examine le zircon à l’aide de différentes techniques – « la lumière réfléchie par les grains, la lumière transmise à travers eux, la lumière cathodoluminescente résultant de l’impact d’un faisceau d’électrons sur le zircon » – pour établir l’échelle à laquelle les grains de zircon doivent être analysés. La microanalyse quantitative des éléments présents dans le zircon est effectuée à l’aide d’une microsonde électronique. « Cela nous permet d’analyser des éléments à l’échelle du micron (un millionième de mètre) en utilisant un mince faisceau d’électrons », explique M. Henry. « Les électrons irradient l’échantillon, provoquant l’émission de rayons X par les atomes de l’échantillon lui-même. Chacun des atomes des différents éléments de l’échantillon émet des rayons X avec des longueurs d’onde caractéristiques. Vous pouvez ensuite les comparer à un standard avec une concentration connue de l’élément, et obtenir la composition exacte de cette petite tache. Un grain de zircon individuel peut être composé de nombreuses zones de compositions et d’âges différents. Les compositions isotopiques peuvent être déterminées à l’aide d’une sonde ionique. Voulons-nous examiner l’ensemble du grain, ou devons-nous diriger un minuscule faisceau d’ions d’oxygène, de 300 micromètres de diamètre, sur certaines parties du grain de zircon pour analyser les isotopes d’U (uranium) et de Pb (plomb) afin de pouvoir dater cette tache et disséquer l’histoire individuelle du zircon ? » Autre possibilité, l’uranium et le plomb peuvent être séparés chimiquement lorsqu’un grain de zircon individuel est dissous dans de l’acide fluorhydrique. « Ensuite, nous les analysons sur un spectromètre de masse, qui nous donne les rapports des isotopes individuels d’uranium et de plomb, et à partir de cela, nous pouvons calculer le temps », explique Mueller.
En fin de compte, dit Henry, « toutes ces données sont combinées dans une image plus large de la façon dont la Terre a fonctionné il y a des milliards d’années d’années. » Selon Mueller, « cela se résume au fait que plus nous en savons sur la variété des roches qui ont constitué les premiers continents et sur la façon dont ces continents ont évolué, plus notre fenêtre sur la façon dont la Terre s’est formée et sur les premiers processus qui ont séparé la croûte du manteau et probablement même le manteau du noyau. » Mueller décrit sa collaboration avec Henry comme un voyage parallèle. « Nos recherches marchent sur la même route, et parfois nous nous tenons la main et parfois nous prenons des chemins séparés ». Dans un cas comme dans l’autre, ils échangent constamment des informations issues de leurs différentes approches, et il y a toujours quelque chose de nouveau à examiner. Mueller résume la situation : « Une pierre, c’est beaucoup de travail. »