Zircons des Jack Hills (Perth, Australie)
La petite histoire
Comprendre simplement
Domaines de présence
Son interprétation dans l'avenir
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La petite histoire  Up Page
Origine, raisons, hasard
Les Jack Hills et leurs environs sont des terres arides et poussiérieuses situées en bordure de deux vastes zones d'élevage de moutons, Berringarra et Mileura, à 800 kilomètres au Nord de Perth, la plus isolée des villes australiennes. Le conglomérat des Jack Hills s'est déposé il y a trois milliards d'années, aux confins d'une formation dont les roches ont toutes plus de 2,6 milliards d'années.
 
Les zircons sont de minuscules minéraux, extrêmement résistants, des "coffres-forts" chimiques même soumis à de fortes températures, ils préservent les traces de leur histoire. Grâce à une analyse in situ par microsondes ionique, ces chercheurs ont daté à 4,2 milliards d'années les zircons dénichés dans des sédiments de l'ouest de l'Australie. Plus encore, en 2001, Simon Wilde, de l'université de Curtin en Australie, et ses collègues, ainsi que Stephen Mojzsis, de l'université du Colorado, en ont trouvé certains dont l'âge atteint 4,4 milliards d'années.

Comprendre simplement  Up Page
Vulgarisation, de 7 à 77 ans
Lorsque le cristal de zircon (de formule générale ZrSiO4) se forme au sein d'un magma en cours de solidification, des atomes de zirconium, de silicium et d'oxygène se combinent en proportions précises. Il arrive que de l'uranium s'insère dans le réseau cristallin Or l'uranium est radiocatif et se désintègre, à un rythme bien connu, en donnant du plomb. Pour cette raison, tout zircon ayant incorporé des traces d'uranium lors de sa formation, constitue un radiochronomètre uranium / plomb. Avec une précision de 1% près et au vue d'une âge avancée de quatre milliards d'années, l'erreur commise s'élève à 40 millions d'années.
Les plus âgées trouvées en Australie datent de plus de 4,4 milliards d'années. Certains échantillons de matériau lunaire et martien sont d'âge similaire, et les météorites sont en général plus âgées, mais aucun matériau aussi ancien n'avait jamais été trouvé sur Terre.

Domaines de présence  Up Page
Monde présent

Son interprétation dans l'avenir  Up Page
Le radiochronomètre U-Pb
L'uranium possède deux isotopes radioactifs, le 235 et le 238, qui conduisent respectivement à deux isotopes du plomb, le 207 et le 206. L'isotope radioactif est qualifié d'isotope père; le produit de la désintégration, d'isotopes fils. Le principe du radiochronomètre est celui du sablier. Comme on connaît la vitesse à laquelle l'isotope père se désintègre en isotope fils, en système clos, la quantité d'éléments fils donne le temps écoulé depuis le moment où le père a été enfermé dans le minéral quand celui-ci s'est formé. Le fait d'avoir deux couples père-fils permet en plus de s'affranchir d'une référence de départ.
 
Le samarium
Le samarium possède un isotope radioactif, le 147, qui se transforme en néodyme-143 avec une période très longue, une demi-vie de 100 milliards d'années environ. Dans des roches qui ne subissent aucun événement particulier, le néodyme-143 s'accumule lentement par décroissance radioactive, et la quantité de samarium-147 décroît régulièrement. Mais si les roches du manteau commencent à fondre parce que la température augmente ou que la pression diminue, le néodyme se concentre préférentiellement dans le liquide de fusion.
Résultat, les proportions relatives du samarium par rapport au néodyme changent: le liquide de fusion, qui en remontant va former les roches de la croûte, est ainsi enrichi en néodyme, tandis que les roches du manteau résiduel en sont, elles, appauvries. Après cet épisode de fusion, ce manteau rédisuel se caractérise donc par un  rapport samrium/néodyme plus élevé que le matériel de départ. Puis, la désintégration radioactive se pousuivant, le néodyme-143 formé par décroissance du samarium-147 y sera plus abondant.
Si par la suite, on extrait un nouveau magma de ce manteau ayant déjà subi un épisode de fusion, cette histoire préalable sera enregistrée dans les isotopes du néodyme. C'est cette "empreinte isotope" que traquent les géochimistes à l'aide de spectromètres de masse.
 
Histoire de la croûte terrestre
L'esentiel de la croûte continentale actuelle s'est formé autour de -2,5 milliards d'années (Ga). Mais les premiers épisodes de croissance remontent vers -4 Ga. On pensait qu'après une extraction progressive elle avait atteint un plateau (courbe rouge). L'hypothèse d'une croûte bien plus primitive (en bleu) change cette vision.
Les différentes équipes, qui ont analysé les échantillons d'Isua et d'autres roches anciennes du Labrador et d'Australie, ont découvert avec surprise que la plupart de ces roches étaient singulièrement enrichies en néodyme-143. Un tel indice semblait montrer qu'à la période où les roches de la croûte s'étaient formées, entre -3,5 et -3,8 Ga, il existait déjà une croûte depuis plusieurs centaines de millions d'années au moins.
 
Le néodyme à la trace
Pour reconstituer l'histoire des roches extraites du manteau, l'abondance du néodyme-143, fruit de la désintégration du samarium-147, est comparée à celle de l'isotope stable, le néodyme-144 (rapport 143Nd/144Nd, carré noir). Si le manteau n'est pas modifié, son rapport 143Nd/144Nd évolue suivant la courbe est extraite de ce manteau au temps T1, le rapport 143Nd/144Nd du "manteau résiduel" augmente (en vert). Un nouveau magma, créé au temps T2, portera donc la trace du premier épisode. Pour remonter à T2, on corrige la décroissance radioactive (en bleu), en faisant l'hypothèse qu'aucun autre événement n'a, entre-temps, modifié ce rapport.
 
La preuve par le 142
La variation de l'abondance d'un autre isotope du néodyme, le 142, par rapport à celle du néodyme-144 permet de détecter un épisode d'extraction de croûte. Chaque courbe représente l'évolution de cette variation au cours du temps pour un scénario donné: la mauve correspond à un manteau terrestre ayant subi une extraction il y a 4,5 milliards d'années (Ga), la rouge, 4,45 Ga, la verte 4,3 Ga, et la bleue 4 Ga. L'analyse des échantillons d'Isua montre que, dans ces roches, cette variation est de l'ordre de 10 à 15 parties par million (le rectangle noir). Selon ces mesures, une première croûte terrestre se serait donc formée il y a environ 4,45 Ga.

Les références  Up Page
Réseau Pepe
Pour la Science novembre 2005 n337
 
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Mais encore  Up Page
Croûte primitive à l'Hadéen
Il y aurait bien une croûte primitive à l'Hadéen entre -4,5 et -4,0 Ga, valeur critiquée, car la formation de la Terre remonterait à 4,5 Ga.
En 1981, John Patchett, de l'université de l'Arizona, proposa de s'intéresser à un autre élément produit par radioactivité naturelle: l'hafnium-176. La décomposition isotopique en hafnium du zircon celle du milieu dans lequel il s'est formé. En la comparant à celle mesurée dans certaines météorites - les chondrites, le matériel à partir duquel la planète s'est constituée -, on devrait donc détecter l'épisode d'extraction de croûte, s'il a bien eu lieu. Or, les zircons examinés par John Patchett n'en portaient aucune trace: leur composition en hafnium était semblable à celle des chondrites.
La constante de désintégration du lutetium-176 apparaissait différente dans les chondrites et dans les échantillons terrestres: une véritable énigme que les géochimistes cherchent toujours à résoudre.