L'origine et l'évolution primitive de l'atmosphère terrestre révélée par des gaz piégés dans des minéraux de 3,3 milliards d'années
Pour PrépaCAPES et PrépaAgreg
Thèmes : histoire de la Terre, atmosphère
La Terre s'est formée il y a environ 4,54 milliards d'années. A
cette époque, notre planète était probablement dépourvue d'éléments
volatils à cause de sa position proche du Soleil. Ces éléments ont en effet des capacités importantes de vaporisation (= volatilité). Il s'agit entre autres du N2, de l'eau, du CO2, de l'ammoniac, du méthane...etc...La présence d'océans
et d'une atmosphère à la surface de notre planète démontre que des
éléments volatils ont été apportés par le gaz solaire, les astéroïdes
riches en volatils ou par les comètes. Cependant, de nombreux évènements
ultérieurs (la formation du noyau, la différenciation du manteau, la
subduction de la croûte dans le manteau ou encore les fuites
atmosphériques) ont modifié les quantités d'éléments volatils
terrestres. Il est donc difficile de lier l'atmosphère actuelle aux
potentielles sources du système solaire.
Les gaz rares dont le
xénon et ses neuf isotopes, sont des éléments chimiquement inertes,
c'est-à-dire qu'ils n'interviennent pas dans les réactions chimiques.
Ce sont donc d'excellents traceurs de processus physiques tels que
l'apport d'éléments volatils à l'atmosphère, les fuites atmosphériques,
le dégazage des enveloppes terrestres etc. Dans une étude publiée le 18
Mai 2017, deux chercheurs du CRPG (CNRS / Université de Lorraine) en
collaboration avec l'Université de Manchester démontrent que des
inclusions de fluides piégées dans des roches anciennes de la région de
Barberton (Afrique du Sud) ont enregistré la composition isotopique des
gaz de l'atmosphère d'il y a 3,3 milliards d'années. Les données
montrent qu'une partie de l'atmosphère terrestre ne peut avoir été
apportée par les astéroïdes et suggèrent une source cométaire pour les
gaz rares de l'atmosphère.
Les chercheurs ont mesuré la composition isotopique des gaz rares (Ar, Kr et surtout Xe) des inclusions fluides contenues dans des échantillons de quartz provenant de carottes forées dans la ceinture de roches vertes de Barberton (Afrique du Sud). Ces cristaux de quartz forment des veines de plusieurs centimètres à plusieurs mètres, liées à la circulation de fluides contenant des gaz atmosphériques dissouts.
De nouvelles méthodes de
purification ainsi que de nouveaux instruments à la pointe de la
technologie ont permis aux chercheurs de mesurer à haute précision la
composition isotopique du xénon ancien piégé dans ces cristaux.
Dans les quartzs de Barberton, le xénon âgé de 3,3 milliards d'années
(d'après la datation par la méthode 40K/40Ar) a une composition isotopique bien différente du xénon de l'atmosphère
moderne. Dans les mêmes échantillons, le krypton ne présente pas
d'anomalies isotopiques, ce qui suggère que la composition originelle
des gaz n'a pas été modifiée lors ou après leur piégeage. Le xénon
Archéen (3,3 Ga) présente un excès en isotopes légers et un
appauvrissement en isotopes lourds par rapport à l'atmosphère moderne.
Cela montre une évolution sur le long terme de la composition isotopique
du xénon atmosphérique.
La grande précision des mesures prises par les chercheurs leur permet d'éliminer définitivement les sources astéroïdales ou solaires comme précurseurs du xénon atmosphérique, qui provient d'une source différente appelée le U-Xe (Xénon U), et qui est exclusivement d'origine extraterrestre. Les comètes deviennent donc les principaux suspects susceptibles d'avoir apporté ce xénon à l'atmosphère terrestre. C'est tout à fait plausible car ces objets sont riches en gaz rares. Par extension, d'autres éléments volatils proviendraient donc de comètes dont l'eau, le CO2 etc...
Enfin, le xénon archéen présente un léger
appauvrissement en xénon 129 par rapport à l'atmosphère moderne. Cet
isotope du xénon était produit au tout début de l'histoire de la Terre
par décroissance radioactive de l'iode 129 (129I) dans le
manteau terrestre et par dégazage subséquent du xénon produit. L'équipe a
calculé que le taux de dégazage du manteau terrestre dans l'atmosphère a
dû être environ 4 fois plus intense qu'aujourd'hui pendant les 3,3
derniers milliards d'années pour expliquer cette anomalie.
L'étude des gaz piégés dans les roches très anciennes ouvre de nouvelle perspective pour comprendre l'origine et l'évolution des éléments volatils terrestres, qui sont des facteurs clefs de l'habitabilité de notre planète.
L'étude des gaz piégés dans les roches très anciennes ouvre de nouvelle perspective pour comprendre l'origine et l'évolution des éléments volatils terrestres, qui sont des facteurs clefs de l'habitabilité de notre planète.
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