Zircons, tectonique des plaques et mystère de la vie – Physics World

Le sol sous nos pieds peut paraître solide et stationnaire. Mais tout au long de l’histoire de la Terre, la couche relativement mince qui recouvre notre planète a été comprimée, fissurée et remodelée à plusieurs reprises par les forces tectoniques. La tectonique des plaques peut déplacer les continents, construire des chaînes de montagnes et déclencher des tremblements de terre et des volcans lorsque l'énergie accumulée est soudainement libérée.

Mais alors que la tectonique peut détruire la vie sans discernement au niveau local, elle est également vitale pour maintenir des conditions habitables sur toute la surface de la Terre. En effet, les matériaux riches en carbone sont recyclés à l'intérieur de la Terre dans les «zones de subduction» - des régions où une plaque est poussée sous une autre - dans un processus qui aide à réguler le cycle du carbone. Pendant ce temps, la vapeur d'eau et les gaz libérés par l'activité volcanique aident à stabiliser le climat et les conditions atmosphériques de la Terre.

Il suffit de regarder l’atmosphère nocive de Vénus – avec ses nuages ​​denses de dioxyde de carbone et d’acide sulfurique – pour voir ce qui peut arriver sur une planète rocheuse sans tectonique des plaques. C'est pourquoi de nombreux géoscientifiques ont supposé que la tectonique des plaques devait avoir existé au moment où la vie est apparue, au cours du premier milliard d'années de l'histoire de la Terre. La tectonique des plaques, en substance, était considérée comme une condition préalable essentielle à la vie.

Mais nouvelles découvertes par une équipe de recherche internationale indiquent que la vie aurait pu précéder la tectonique des plaques – et que la vie aurait pu arriver en premier, dans une certaine mesure. Si ces travaux sont vrais, notre jeune planète pourrait avoir connu une période prolongée sans plaques mobiles, sous une forme plus rudimentaire de tectonique connue sous le nom de « couvercle stagnant ». Un tel scénario, s’il était confirmé, transformerait notre compréhension de la façon dont la vie apparaît et survit – et pourrait potentiellement aider à la recherche de la vie au-delà de notre planète.

Sur un sol instable

La notion de tectonique des plaques est peut-être largement acceptée aujourd'hui, mais elle a été controversée pendant de nombreuses années. L'histoire a commencé en 1912 lorsque le scientifique allemand Alfred Wegener a proposé l'idée de « dérive des continents ». Il a suggéré que les continents d'aujourd'hui faisaient autrefois partie d'un supercontinent beaucoup plus grand, mais qu'ils ont ensuite dérivé vers leurs positions actuelles à la surface de la Terre. Dans son livre L'origine des continents et des océans, Wegener a noté comment les côtes de l'Amérique du Sud et de l'Afrique s'assemblent comme un puzzle et a décrit comment des fossiles similaires apparaissent dans des parties du monde totalement différentes.

L'idée de Wegener a d'abord été accueillie avec scepticisme, principalement parce que les chercheurs ne savaient pas ce qui aurait pu faire bouger les plaques. Une réponse a commencé à émerger au milieu du XXe siècle lorsque une carte réalisée en 1953 par le géologue et cartographe américain Marie Tharpé a révélé l’existence d’une dorsale médio-océanique s’étendant sur tout l’océan Atlantique et parallèle aux côtes continentales. Présentant une immense vallée en son centre, Tharpe a soutenu que cela indiquait que le fond océanique était en expansion.

Une théorie complète de la propagation des fonds marins a ensuite été proposé par un géologue américain Harry Hess en 1962. Il a suggéré que la croûte océanique se forme en permanence sur les dorsales médio-océaniques, où les matériaux en fusion de l'intérieur de la Terre remontent à la surface dans le cadre d'une cellule de convection, avant de se solidifier en un nouveau fond océanique. Cette croûte fraîche est ensuite shuntée horizontalement dans les deux sens par le magma qui remonte ensuite.

Pendant ce temps, là où les plaques océaniques bordent les continents, des sections plus anciennes de la croûte océanique sont enfoncées sous la croûte continentale moins dense dans les tranchées océaniques et recyclées à l'intérieur de la Terre. En fait, la pointe affaissée de la plaque contribue également à l'étalement du fond marin en entraînant le reste de la plaque derrière elle alors qu'elle plonge dans l'abîme.

[Contenu intégré]

Les preuves de la propagation du fond marin sont arrivées en 1963 lorsque des géologues britanniques Frédéric Vigne ainsi que Drummond Matthews a examiné les mesures du champ magnétique terrestre prises par un navire de recherche traversant une crête de l'océan Indien. Ils ont remarqué que le champ n'était pas uniforme, mais qu'il anomalies qui couraient en rayures parallèle à la crête – et pratiquement symétriquement de chaque côté de celle-ci – s’étendant sur le fond océanique. Ils ont expliqué que ces rayures apparaissent parce que les minéraux magnétiques présents dans le fond marin nouvellement formé ont tendance à s'aligner sur le champ magnétique terrestre pendant que la roche se solidifie. De nouvelles bandes se forment à chaque fois que le champ magnétique terrestre s'inverse – un phénomène qui s'est produit à plusieurs reprises au cours de l'histoire de la Terre lorsque le pôle nord devient soudainement le pôle sud.

Pour utiliser une analogie, le fond marin en mouvement ressemble plutôt à une cassette à l'ancienne, enregistrant chaque inversion du champ géomagnétique. Chaque inversion peut être datée via des études de fossiles et des tests radiométriques de basaltes forés au fond de l'océan, pour tracer une histoire du champ magnétique. De nos jours, l'existence de la tectonique des plaques est maintenant presque universellement acceptée.

Mais il y a beaucoup moins d’accord sur la date à laquelle la tectonique des plaques a commencé. Une partie du problème vient du fait que la Terre s'est formée il y a environ 4.54 milliards d'années et qu'aujourd'hui, pratiquement toute la croûte océanique vieille de plus de 200 millions d'années a été recyclée dans la Terre. En d’autres termes, nos archives à long terme sur l’histoire de la Terre sont contenues dans des formations rocheuses cachées des continents.

Mais même là, les quelques roches accessibles qui subsistent depuis le premier milliard d’années ont été considérablement altérées par la chaleur, la chimie, l’altération physique et les pressions extrêmes. C'est pourquoi personne ne sait avec certitude quand a commencé la tectonique des plaques, avec des estimations allant de plus de il y a 4 milliards d'années à seulement 700 millions il y a des années. C'est une incertitude énorme et insatisfaisante.

Ce qui est plus curieux, c'est que la première preuve fossile incontestée de la vie remonte à 3.5 à 3.4 milliards d'années, avec des signatures de vie dans les roches sédimentaires indiquant que la vie a peut-être existé. 3.95 milliards il y a des années. La vie aurait-elle donc pu émerger des centaines de millions d'années avant que la tectonique des plaques n'existe ? Avec si peu de roches originales survivantes de cette période, les géologues sont souvent bloqués dans le domaine de la spéculation.

Zircons : capsules temporelles des débuts ardents de la Terre

Heureusement, les géoscientifiques ont une arme secrète pour obtenir des instantanés des conditions sur la Terre primitive. Dire bonjour à zircons – fragments minéraux chimiquement stables (ZrSiO₄) que l'on trouve dans une variété de couleurs et de milieux géologiques. La beauté des zircons pour les géoscientifiques est qu'ils restent largement insensibles aux changements de leur roche hôte. Ils sont comme une capsule temporelle de cette période lointaine.

En particulier, les scientifiques ont récemment étudié zircons anciens qui s'est cristallisé dans les roches granitiques formées au cours des 600 premiers millions d'années de la Terre. Au cours de cette période, connue sous le nom de Éon hadéen, notre planète était un endroit infernal, probablement enveloppé dans une atmosphère riche en dioxyde de carbone et fréquemment bombardé par des corps extraterrestres. L'un d'eux a probablement créé la Lune.

Cependant, malgré l'absence de croûte, il semble que des roches solides se soient formées car un nombre limité d'entre elles survivent aujourd'hui. Des roches intactes vieilles de 4 milliards d'années existent dans le Complexe de gneiss d'Acasta du nord-ouest du Canada, et les matériaux d'origine terrestre les plus anciens connus datent de 4.4 milliards d'années. cristaux de zircon trouvés dans les Jack Hills en Australie (Nature Geoscience 10 457). Ils sont logés dans des roches "méta-sédimentaires" beaucoup plus récentes.

Dans cette nouvelle recherche (Nature 618 531), les chercheurs ont étudié les zircons de Jack Hills couvrant la période d'il y a 3.9 à 3.3 milliards d'années, ainsi que les zircons de la même période trouvés dans la ceinture de roches vertes de Barberton en Afrique du Sud. Dirigé par Jean Tarduno de l'Université de Rochester aux États-Unis, les chercheurs se sont d'abord intéressés à ce que les zircons pourraient révéler sur l'état du champ magnétique terrestre au cours de cette période. Ce n'est que plus tard qu'ils ont réalisé que leurs découvertes avaient des implications beaucoup plus larges.

Les cristaux de zircon provenant des sites australiens et sud-africains contenaient des inclusions d’un minéral riche en fer appelé magnétite, qui étaient magnétisées par le champ terrestre au moment de leur formation. Même si des milliards d’années se sont écoulées depuis, ces informations sur l’ancien champ magnétique terrestre sont restées enfermées dans les cristaux de zircon pendant tout ce temps. En fait, comme le champ magnétique terrestre est un dipôle – avec une intensité de champ variant avec la latitude – mesurer la force de magnétisation résiduelle parmi la magnétite du zircon peut révéler la latitude à laquelle il s’est formé.

Le défi suivant consistait à dater les échantillons de zircon. De manière pratique, la structure cristalline du zircon incorpore également de l'uranium, qui se désintègre progressivement en plomb à une vitesse connue. Les chercheurs ont ainsi pu déterminer l'âge du cristal de zircon à partir du rapport uranium/plomb, que l'équipe de Tarduno a mesuré à l'aide d'un microsonde ionique sélective à haute résolution, ou CREVETTES.

Si la tectonique des plaques avait existé au cours des 600 millions d'années couvertes par cette étude, on s'attendrait alors à ce que les cristaux de zircon se soient formés à différentes latitudes au fur et à mesure que les plaques se déplacent. Cela signifierait que les cristaux de zircon auraient une gamme de forces de magnétisation en fonction de leur âge. Cependant, à leur grande surprise, Tarduno et son équipe ont découvert quelque chose de très différent.

Sur les sites australien et sud-africain, la force de magnétisation est restée presque constante il y a 3.9 à 3.4 milliards d’années. Cela suggère que les deux ensembles de zircons se sont formés à des latitudes inchangées. En d’autres termes, la tectonique des plaques n’avait pas encore commencé. Cette conclusion s'explique en partie, expliquent les chercheurs, par le fait qu'en moyenne, les plaques au cours des 600 derniers millions d'années se sont déplacées d'au moins 8500 XNUMX km de latitude. Et au cours de cette période récente, il n’y a jamais eu d’exemple de deux plaques restant simultanément à une latitude constante.

En d’autres termes, la tectonique des plaques n’avait pas encore commencé. Les chercheurs concluent que la Terre possédait probablement une variété de tectonique plus rudimentaire, qui comprenait encore un certain recyclage chimique et une fracturation de la roche solide à la surface de la Terre.

La différence cruciale entre la tectonique des plaques actuelle et celle-ci "couvercle stagnant" La forme de la tectonique est que cette dernière ne comprend pas de plaques se déplaçant horizontalement sur la surface, ce qui permet de libérer efficacement la chaleur. Au lieu de cela, la Terre aurait été un monde purulent sans croûte continentale, peuplé de régions isolées d’une épaisse croûte océanique séparées par des zones de remontée de magma (figure 1). « Peut-être que le couvercle stagnant est un nom malheureux, car les gens pourraient penser que rien ne se passe », déclare Tarduno. "Mais ce que vous avez, ce sont des panaches de matière qui peuvent chauffer le fond de cette croûte et de cette lithosphère primordiales."

Vers la fin de la période d'étude (il y a 3.4 à 3.3 milliards d'années), la magnétisation observée dans les cristaux de zircon commence à se renforcer, ce qui, selon Tarduno, pourrait indiquer le début de la tectonique des plaques. La raison en est que d’énormes plaques de croûte descendant à l’intérieur de la Terre au niveau des zones de subduction entraînent un refroidissement plus rapide du manteau. À son tour, ce processus peut renforcer l’efficacité de la convection dans le noyau externe, ce qui entraîne un champ géomagnétique plus fort.

Une « situation Boucle d'or » pour le début de la vie ?

Si la vie fondamentale était déjà présente près d’un demi-milliard d’années avant la tectonique, comme le laisse entendre cette étude, cela soulève des questions intéressantes sur la façon dont la vie pourrait survivre dans un monde sans plaque tectonique. Un champ magnétique plus faible issu de cette phase de couvercle stagnant aurait laissé la surface de la Terre plus exposée au rayonnement cosmique, dont notre fort champ actuel nous protège. Les protons énergétiques du vent solaire seraient alors entrés en collision avec des particules atmosphériques, les chargeant et les dynamisant afin qu’elles puissent s’échapper dans l’espace – en principe, privant ainsi une planète entière de son eau.

Mais Tarduno dit que même l'intensité relativement faible du champ magnétique observée dans cette nouvelle étude aurait fourni un certain blindage. En fait, il suggère que cette forme de tectonique stagnante et frémissante a peut-être créé une « situation Boucle d'or » qui aurait été parfaite pour la vie primordiale, exempte des changements dramatiques des conditions environnementales qui peuvent se produire dans une tectonique des plaques à part entière.

C'est une idée alléchante parce que l'on pense que les formes de couvercles stagnants de la tectonique sont courantes dans tout notre système solaire, existant sur Vénus, Mercure et sous une forme moins dynamique sur Mars.

Pour développer la recherche, l'équipe de Tarduno prévoit maintenant d'étudier des zircons d'âges similaires provenant d'autres endroits, afin de fournir un plus large éventail de points de données. « Notre approche est différente des travaux précédents car nous avons un indicateur de mouvement », dit-il. "Tous les arguments sur la tectonique des plaques de cette époque de l'histoire de la Terre ont été basés sur la géochimie - et non sur le principal indicateur de ce qu'est la tectonique des plaques."

Pierre Cawood, un spécialiste des sciences de la Terre à l'Université Monash en Australie, qui n'a pas participé à cette étude. Nature Selon cette étude, une compréhension plus approfondie de la Terre primitive pourrait provenir d'endroits de notre système solaire dont les surfaces n'ont pas été recyclées à plusieurs reprises par la tectonique des plaques. « Mars, la Lune et les météorites fournissent un témoignage plus complet de leurs débuts historiques », dit-il. "Les échantillons de ces corps, et en particulier le potentiel de missions de retour d'échantillons depuis Mars, pourraient fournir de nouvelles informations importantes sur les processus qui ont agi au début de la Terre."

Epoque ou événement ? Définir l'Anthropocène

Des pas de géant sur ce front peuvent se produire via le Mission de retour d'échantillons sur Mars, dont le lancement est prévu pour 2027. Mais Cawood estime qu'une question peut-être plus cruciale pour le développement de la vie initiale est de savoir quand exactement l'eau – une condition préalable à la vie – est apparue pour la première fois sur Terre. "Des travaux antérieurs sur les zircons de Jack Hills, utilisant des isotopes de l'oxygène, suggèrent qu'il y a de l'eau depuis au moins 4400 XNUMX millions d'années", dit-il.

Pour Cawood, cette recherche pourrait potentiellement contribuer à la recherche de la vie dans notre système solaire et au-delà – et même à notre conception de ce à quoi ressemble la vie. « Si la vie sur Terre s'est développée pendant cette phase de couvercle stagnant, alors peut-être que cela s'est également produit sur Mars. Si la Terre était restée dans une phase de stagnation et que la vie avait continué à évoluer, elle serait certainement différente de la biosphère que nous avons aujourd’hui. Donc, pour paraphraser Spock parlant à Kirk - "c'est la vie Jim, mais pas telle que nous la connaissons".

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoData.Network Ai générative verticale. Autonomisez-vous. Accéder ici.
• PlatoAiStream. Intelligence Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• PlatonESG. Automobile / VE, Carbone, Technologie propre, Énergie, Environnement, Solaire, La gestion des déchets. Accéder ici.
• PlatoHealth. Veille biotechnologique et essais cliniques. Accéder ici.
• GraphiquePrime. Élevez votre jeu de trading avec ChartPrime. Accéder ici.
• Décalages de bloc. Modernisation de la propriété des compensations environnementales. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/zircons-plate-tectonics-and-the-mystery-of-life/