Les processus naturels qui déplacent le carbone à travers la Terre, comme la tectonique des plaques, la subduction et l’activité volcanique, semblent anciens et stables aujourd’hui, mais la planète n’a pas toujours été aussi calme. Pendant l’éon Archéen (il y a 4 à 2,5 milliards d’années) – l’adolescence de la Terre – la planète était plus chaude et connaissait davantage d’éruptions volcaniques. Cet éon s’est terminé par une augmentation de l’oxygène atmosphérique appelée le Grand événement d’oxydation, qui a été le tout début de la tectonique des plaques plus mature que nous reconnaissons aujourd’hui.
Dans un nouvel article paru dans Nature, une équipe de chercheurs, dont les membres de la communauté DCO Réservoirs et Flux Bernard Marty et Michael Broadley (CRPG-CNRS, France) et le membre du comité exécutif Claude Jaupart (Institut de Physique du Globe de Paris, France), a détecté une forte augmentation de l’activité volcanique entre 2,6 et 2,2. milliards d’années qui a probablement libéré une explosion d’eau, de dioxyde de carbone et d’autres composés volatils dans l’atmosphère . Les chercheurs ont analysé des traces de l’atmosphère de l’Archéen piégées dans des bulles remplies de fluide appelées inclusions à l’intérieur de roches qui se sont formées à cette époque. Ils proposent que ce flux massif de volatiles ait pu déclencher le grand événement d’oxydation.
« Nous ne savons pas grand-chose de l’éon archéen, il y a environ 3 milliards d’années », a déclaré M. Marty, coprésident du comité directeur scientifique de la communauté Réservoirs et flux. Il existe encore peu de roches de cette période, et comme il le souligne, nous savons peu de choses sur l’atmosphère et les flux volcaniques de l’Archéen « parce qu’il n’y avait pas de volcanologues à l’époque. »
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont examiné les données isotopiques de roches qui se sont formées il y a 3,5 à 2,7 milliards d’années. « Les isotopes sont comme l’ADN de la matière », a déclaré Marty. « Chaque élément a une signature spécifique qui est un enregistrement de ce qui s’est passé auparavant. »
Spécifiquement, ils ont examiné la composition isotopique du gaz noble xénon, qui peut être utilisé pour estimer l’activité volcanique au fil du temps. Il existe neuf isotopes différents du xénon qui ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans le noyau. L’isotope 129Xe provient de la désintégration radioactive de l’iode dans le manteau et s’échappe à la surface par les éruptions volcaniques, de sorte que les concentrations de cet isotope dans l’atmosphère sont directement liées aux émissions volcaniques. Le 129Xe s’est progressivement accumulé dans l’atmosphère terrestre au fil du temps.
Comme prévu, les chercheurs ont vu que l’atmosphère de l’Archéen contenait peu de xénon par rapport à l’atmosphère actuelle, qui a eu beaucoup plus de temps pour accumuler ce gaz. Mais ils ont été surpris de constater une augmentation rapide du 129Xe entre 2,6 et 2 milliards d’années. Cela signifie que la Terre a connu une activité volcanique massive autour de cette période, et a libéré d’énormes quantités de carbone et d’autres volatiles dans l’atmosphère, à des taux 10 à 100 fois plus rapides qu’aujourd’hui.
L’activité volcanique associée à la tectonique des plaques actuelle ne peut pas expliquer cette hausse rapide, c’est pourquoi Marty et ses collègues du CRPG-CNRS ont collaboré avec Jaupart, un expert de la libération de chaleur par la Terre, pour créer un modèle de la température de la Terre et de l’activité volcanique au fil du temps. Selon un enregistrement indépendant laissé par les roches volcaniques, la température interne de la Terre a atteint un pic entre 3 et 2,5 milliards d’années, réchauffée par la décomposition d’éléments radioactifs. La tectonique des plaques primitive n’étant pas très efficace pour libérer cette chaleur, les scientifiques pensent que la Terre a surchauffé et créé d’énormes volumes de bouillie mousseuse, contenant du magma fondu, des gaz et des cristaux. La signature 129Xe suggère que la bouillie a fait éruption pendant 200 ou 300 millions d’années, libérant des gaz à la surface.
Comme une colère d’adolescent, la hausse de l’activité volcanique a permis à la Terre d’évacuer beaucoup de vapeur et d’autres volatiles, avant de s’installer dans un modèle plus mature de tectonique des plaques.
Les chercheurs supposent que cette explosion de volatils à la fin de l’époque archéenne pourrait être responsable du Grand événement d’oxydation qui a donné naissance à l’oxygène gazeux dans l’atmosphère. « Nous proposons que la libération soudaine de dioxyde de carbone et d’azote dans l’atmosphère a fourni beaucoup de nutriments pour les bactéries, de sorte qu’il pourrait y avoir eu un coup de fouet à l’activité bactérienne, ce qui signifie qu’elles ont pris le dioxyde de carbone et l’azote et ont libéré de l’oxygène », a déclaré Marty.
Cette augmentation rapide du dioxyde de carbone à la fin de l’Archéen s’est produite à une échelle similaire à celle des émissions humaines de dioxyde de carbone aujourd’hui. Comprendre comment les changements catastrophiques du cycle global du carbone ont eu un impact sur la Terre ancienne peut nous aider à prédire les changements qui résulteront de nos taux d’émissions actuels.
A l’avenir, les chercheurs prévoient d’analyser d’autres échantillons de roches de cette période, afin d’obtenir une meilleure résolution sur le moment de la « colère » du manteau terrestre et sur la façon dont elle a pu affecter l’évolution de la planète. Ils prévoient également d’examiner le rôle du Soleil et la façon dont les changements dans la production solaire ont pu avoir un impact sur la température de la Terre dans le passé.
« Nous avons vraiment besoin de mieux caractériser la Terre ancienne », a déclaré Marty. « Dans l’Archéen, c’est certainement là que l’activité bactérienne s’est développée et que la vie s’est épanouie. Nous devons mieux documenter cette période et en savoir beaucoup plus sur le cycle des volatiles dans un passé lointain. »
Image principale : Les roches de l’Archéen, telles que la formation de Dresser, vieille de 3,45 Ga, dans le nord-ouest de l’Australie, sont en nombre insuffisant sur Terre aujourd’hui, ce qui rend difficile l’apprentissage des conditions sur Terre pendant l’éon de l’Archéen. Avec l’aimable autorisation de B. Marty
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