La Terre, ce vieux croûton

Zircon, Pakistan. (© Rob Lavinski/Wikimedia Commons)

L’âge de la Terre a été estimé à 4.54 milliards d’années. Comment cette estimation a pu être réalisée ? Zoom sur un petit minéral providentiel nommé zircon, et ses deux facultés extraordinaires : la radioactivité et la résistance à l’altération.

Je vais vous confier un secret : le zircon est mon minéral préféré. Pas seulement parce que son nom est une véritable invitation à la rigolade, mais aussi parce que ce silicate bien connu des joailliers a un pouvoir extraordinaire. Deux, en réalité. Mais avant d’entrer dans le vif du sujet, courte présentation. Ce silicate de zirconium (Zr-SiO₄) est aussi appelé « faux diamant » car une fois chauffé, il revêt un éclat adamantin associé à une très large gamme de couleurs : de l’incolore au jaune, rouge ou orange, en passant par le brun et le vert. Il a une dureté de 7.5 sur l’échelle de Mohs (qui va de 1 pour le talc à 10 pour le diamant). Cela signifie que si on confrontait un zircon à un quartz (dureté de 7) dans une arène, le zircon rayerait sa mère le quartz alors qu’il sortirait lui-même intact des tentatives de rayure de son adversaire. Avouez que ça en impose !

Zircon perché sur de la calcite. (© Rob Lavinski/Wikimedia Commons)

Mais la raison pour laquelle le zircon a ma préférence est tout autre. Ce minéral est peut-être l’un des plus providentiels dans la quête de l’histoire de la vie, l’univers et le reste. Savez-vous pourquoi ? Parce qu’il a permis de dater la formation de la Terre ! J’en ai des frissons rien que d’y penser.

Comment ce prodige a-t-il pu être réalisé ? Eh bien mon ami, c’est grâce à ces deux fameux pouvoirs magiques auxquels j’ai fait allusion plus haut : il ne s’altère jamais (ou presque), et il est naturellement radioactif.

Résistance à l’altération et radioactivité sont les deux mamelles du zircon. (© SdC)

Zircon, le plus vieux minéral connu

Il ne faut pas se mentir, ça bouge tellement à la surface de la Terre que les roches restées intactes depuis la formation de la planète, ça ne court pas les rues. Une immense proportion du matériel terrestre a été remobilisée au cours de l’histoire de la Terre : ça fond, ça s’immerge, ça se fait réduire en bouillie… Faites le test, demandez aux roches qui ont résisté aux aléas de la vie de se manifester, il y a fort à parier que vous ne recevrez aucune réponse. Mais si les roches sont retransformées comme du pain perdu, que reste-t-il ? Ce sont les minéraux qui se promènent de roche en roche au fil de la vie de la Terre (par exemple, un minéral de biotite érodé d’un granite devient grain de sable sur une plage, finit par se cimenter avec ses petits copains pour devenir grès, se fait trimballer au sommet d’une montagne et le voilà enserré dans un gneiss). Et là encore, tous les minéraux n’ont pas la même résistance à l’érosion : beaucoup sont « cassés », leurs atomes sont re-mélangés et arrangés en d’autres molécules. Au final, on perd une information cruciale : on ne sait pas d’où ils viennent, qui ils sont – ils changent d’identité. La formidable qualité du zircon, c’est au contraire de très bien résister aux attaques extérieures. Contre vents et marées, il ne lâche pas la barre. Inaltérable, même à des températures et pressions extrêmes ! Quoi qu’il subisse, il sera toujours là pour raconter son histoire. Il n’a pas bougé depuis 4 milliards d’années et demi ! Je suis prête à parier que ses secrets intéresseraient les fabricants de crèmes antirides.

Le zircon, inaltérable, résiste exceptionnellement bien aux attaques extérieures, ce qui lui permet de suivre son petit bout de chemin pendant plusieurs milliards d’années. (© SdC)

 Zircon, le radioactif

Non seulement il est résistant, tel un bon papier toilette, mais en plus il est radioactif (comme on ne le souhaite pas à un papier toilette). C’est cette propriété, la radioactivité, qui nous permet de faire des datations. Je m’explique : à l’échelle moléculaire, le zircon est constitué de molécules ZrSiO₄ : un ion zirconium (Zr⁴⁺) d’un côté, est lié avec un ion silicate (SiO₄^4-) de l’autre. Seulement voilà : comme rien n’est parfait, il arrive que le zirconium soit remplacé par de l’uranium (²³⁸U – lire « uranium 238 » – et ²³⁵U) ou du thorium (²³²Th), lesquels sont radioactifs ! Et c’est là que la magie opère.

(Petite précision : pour simplifier, dans la suite de ce billet je me contenterai de parler de l’²³⁸U mais mes explications sont également valables pour les deux autres isotopes radioactifs, ²³⁵U et ²³²Th, présents dans les zircons.)

• LA RADIOACTIVITÉ, UNE AFFAIRE DE FAMILLE

Faisons le point : c’est quoi la radioactivité, déjà ? Un élément radioactif « père », ici notre ²³⁸U, se désintègre au bout d’un certain temps pour donner un élément « fils », tout en émettant une particule (comme par exemple un électron ou un noyau d’hélium : 2 protons + 2 neutrons). C’est la fission, mécanisme exploité notamment au cœur des centrales et des bombes nucléaires.

(© SdC)

Que se passe-t-il donc dans notre cristal de zircon ? Imaginez un quadrillage, dont chaque nœud est une molécule de silicate de zirconium, Zr-SiO₄ (voir l’animation ci-dessous). L’un de ces silicates de zirconium a été remplacé par un silicate d’uranium, U-SiO₄, radioactif (en rouge). A un moment donné, il va subir une transformation : l’uranium ²³⁸U qu’il contient va se désintégrer en plomb ²⁰⁶Pb (en bleu). Donc de silicate d’uranium, la molécule va devenir silicate de plomb, ce qui ne change pas foncièrement la tête du minéral. Ce qui change tout en revanche, c’est cette particule (en orange) issue de la désintégration radioactive qui va être émise comme un boulet de canon par l’atome lors de sa transformation. Cette particule va venir heurter les molécules environnantes, et faire un strike digne des plus grandes compétitions de bowling.

Effet de la radioactivité sur la structure d’un minéral. (© SdC)

Résultat, cette particule va casser localement la structure du minéral : les atomes, au lieu d’être proprement alignés et de se donner la main, nagent dans un joyeux chaos : dans le jargon de la minéralogie, on dit qu’ils sont dans un état « amorphe » (ce qui est assez parlant). Ceux qui ont lu mon article Géologie et cuisine s’en souviennent peut-être, qui dit bazar au niveau atomique, dit verre ! Cela se voit très clairement au microscope, sur des lames minces de zircon : on y observe parfois des auréoles plus sombres, qui sont des auréoles de « métamictisation » constituées de verre, conséquences visibles de la radioactivité du minéral.

Inclusion d’un zircon (au centre) dans une biotite (tout autour). L’auréole noire dite de métamictisation autour du zircon traduit l’impact de la radioactivité sur la structure atomique de la biotite, qui prend cher. (© Chd/Wikimedia Commons)

• DIS-MOI CE QUE TU CONTIENS, ET JE TE DIRAI QUEL ÂGE TU AS !

« C’est bien mignon tout ça, vous dites-vous, mais ça ne nous dit pas comment dater un minéral ». Patience mon mignon, j’y viens. Est-ce qu’on aurait pu prédire à quel moment précis cet uranium allait se désintégrer ? Hélas non. Cependant, on peut prédire qu’à un temps donné, il y aura X atomes d’uranium désintégrés dans le minéral. La réciproque est vraie, et c’est là toute la magie de la chose : dis-moi combien il y a d’éléments fils dans ton minéral (et combien d’éléments pères), et je te dirai quel âge il a !

Cristal de zircon. (© Rob Lavinski/Wikimedia Commons)

Cependant, il y a un hic : si ça fonctionne avec tous les éléments radioactifs qu’on trouve dans les roches, il y a une limite temporelle. Que faire lorsqu’il n’y a plus que des éléments fils dans mon minéral ? C’est pour cette raison qu’il faut choisir un élément radioactif avec un temps de demi-vie adapté à ce qu’on veut dater.

Par exemple, le très célèbre carbone 14 a une demi-vie de près de 6 000 ans. Cela signifie qu’il faut 6 000 ans pour que la moitié de ses éléments pères (¹⁴C) se désintègrent pour donner du ¹³C. On estime en règle générale que tous les éléments pères auront disparu après 8 demi-vies, soit ici quasiment 50 000 ans. On peut donc s’en servir pour dater des restes organiques « relativement » récents, mais pas des dinosaures qui ont disparu il y a 65 millions d’années ! En effet, si on analyse les rapports isotopiques des os de dinosaures et qu’ils contiennent 100 % d’éléments fils et 0 % d’éléments pères, comment dater exactement l’échantillon ? Tout ce qu’on pourra dire, c’est qu’il a plus de 23 000 ans. C’est un peu léger… D’où l’utilisation d’autres isotopes à demi-vie plus longue, utilisés en géochronologie, comme notre fameux ²³⁸U, à la demi-vie respectable de 4.5 milliards d’années. Il pourrait même nous permettre de dater des minéraux vieux de 36 milliards d’années, soit plus vieux que l’univers lui-même (qui a presque 14 milliards d’années au compteur) !

Zircon, encore du zircon, toujours du zircon. (© Modris Baum/Wikimedia Commons)

4.54 milliards d’années : l’histoire de cette découverte

En 1953, alors qu’Eisenhower débute sa présidence des Etats-Unis d’Amérique, alors que James Watson et Francis Crick décrivent pour la première fois la structure en double hélice de l’ADN, que la guerre de Corée s’achève, que Tony Blair et Patrick Sébastien voient le jour, alors que le premier numéro de Playboy est dans les kiosques, que le King Elvis gouverne l’univers et que Jacques Brel fait ses débuts à Paris, alors même que Leo Fender réalise les premières esquisses de la Stratocaster, le géochimiste américain Clair Patterson, jeune chercheur trentenaire de l’université de Chicago, a une idée géniale : il émet l’hypothèse que tous les éléments du système solaire se sont formés en même temps, à partir d’un réservoir de matière identique issu de la nébuleuse protosolaire. Par conséquent, il suffirait de dater n’importe quelle météorite pour connaître l’âge de la Terre ! Il a donc été quérir une météorite chez le marchand d’objets célestes du coin (le Canyon du Diable, en Arizona), a repéré les minuscules zircons qui y étaient et s’est frotté les mains. Pour dater la Terre, il lui faudrait simplement mesurer les proportions d’uranium (élément père) et de plomb (élément fils) dans ces précieux zircons !

Zircon pakistanais. (© Rob Lavinski/Wikimedia Commons)

Mais ça n’aurait pas été de la Recherche si ça avait marché du premier coup. « Les quantités d’uranium dans ces roches sont de l’ordre de la partie par millions [1 microgramme par gramme de roche ; nd.SdC], et au fur et à mesure que l’uranium se désintègre, ces proportions diminuent encore jusqu’à atteindre de très faibles quantités », explique Patterson dans une récente interview de 1995. Des quantités trop faibles pour être étudiées avec les machines de l’époque. Mais il ne se laisse pas démonter pour autant : flanqué de son collègue géochimiste George Tilton, il se met à phosphorer. « J’étais Monsieur Plomb et Tilton était Monsieur Uranium », s’amuse-t-il. « Ce que Brown [son ex-directeur de thèse ; nd.SdC] voulait, c’était que Tilton et moi mettions au point des techniques de spectrométrie de masse qui permettent de mesurer de telles quantités d’uranium et d’étudier des compositions isotopiques de plomb 1000 fois inférieures à ce qui se faisait à l’époque ». Eh bien ce fut chose faite : quelques mois plus tard, lors d’une conférence dans le Wisconsin, sa découverte est rendue publique : la Terre est un vieux croûton de 4.55 milliards d’années. Pas mal quand on pense que 60 ans plus tard, après moult analyses complémentaires avec d’autres isotopes et sur différentes roches (y compris lunaires et terrestres sur des zircons australiens : les plus vieux qu’on connaisse), cette estimation n’a pratiquement pas bougé !

Des zircons travaillés en joaillerie, lesquels ont ensuite été sertis sur ce très beau collier d’inspiration médiévale. (© TheJustifiedSinner/Flickr)

Je terminerai par ce dessin complètement hors sujet, parce que YOLO.

Traduction approximative : « mon élément chimique préféré ? Ho. Rien de meilleur que le houblon ! » (© SdC)

Si vous avez aimé cet article, vous aimerez peut-être Géologie et cuisine ou mon Top 5 des plus belles structures géologiques ; ailleurs sur la blogosphère francophone, allez donc jeter un oeil à La datation radiométrique au carbone-14 sur La Science pour tous, La radioactivité naturelle sur Pourquoi Comment Combien, Comment explorer le cerveau avec des bombes atomiques sur Passeur de Sciences, ou encore Des eaux d’un million d’années sur l’Agence Science Presse.

Sources :

• Le Monde : Le plus ancien matériau terrestre a 4.4 milliards d’années
• Wikipédia : Zirconium, Echelle_de_Mohs, Zircon, Clair Patterson, George Tilton et Harrisson Brown, Age of the Earth
• Futurasciences : La chimie du zircon et l’Âge de la Terre
• SVT Gautier : TP datation absolue
• CRDP Montpellier : TP radioactivité des roches
• Oral histories : interview de Clair Patterson (en anglais)
• Complément en vidéo [en anglais] : https://www.youtube.com/watch?v=9byMTKi7cmc