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Les grandes étapes de l'évolution de la Terre et de la vie

Aux origines (I)

Bien que l'évolution ait profondément modifié notre planète, tant physiquement que chimiquement, il est relativement aisé de remonter le temps. Seul bémol, la période la plus ancienne, l'éon Hadéen (par référence à Hadès, le dieu des Enfers, et qui précède la période Archéenne) qui s'étend de ~4.56 à 4 milliards d'années avant le présent reste incertaine.

Si avant 1960 les scientifiques estimaient que la prime jeunesse de la Terre serait à jamais inconnue en raison des effets de l'érosion, du métamorphisme des roches (l’altération des roches dans leur structure à l'état solide, de fusion ou dans un état mixte) et de la tectonique des plaques, à force de chercher et d'étudier divers échantillons, effectuant des recoupements et posant quelques hypothèses supportées par des modèles informatiques, géologues et géochimistes ont pu confronter leurs théories aux données recueillies par les missions scientifiques aux quatre coins du monde, aux découvertes lunaires et aux missions spatiales vers les autres planètes et les astéroïdes, et sont parvenus à relever le défi de décrire cette période Hadéenne avec une certaine précision. Ce sont les résultats de leurs travaux que nous allons décrire.

Issue de la nébuleuse protosolaire qui se serait condensée voici 4.65 milliards d'années, selon les dernières estimations la Terre serait âgée de 4.5685 ±0.5 milliards d’années[1].

A voir : Animation de la Terre et de la Lune primordiales, Mark Garlick

La Terre et la Lune primordiales subirent l'assaut des météorites durant quelque 150 millions d'années, accompagnés d'une intense activité volcanique. Illustrations de Mark Garlick et T.Lombry.

Pendant l'éon Hadéen qui s'étend de 4.65 à 3.80 milliards d'années, entre 10 et 70 millions d'années après la formation de la Terre, soit entre ~4.56 et 4.50 milliards d'années, le noyau métallique et le manteau silicaté se différencient. Le manteau est en grande partie fluide ainsi que la surface de la Terre où régnait une température supérieure à 2000°C et une pression comprise entre 310 et 480 atmosphères. Nous verrons plus bas que cette atmosphère primordiale fut rapidement dispersée au profit de gaz plus lourds.

Durant les 30 millions d'années qui suivirent, soit entre ~4.50 et 4.47 milliards d'années, la surface de la Terre n'était qu'un océan de magma qui libéra une chaleur intense (flux thermique >150 W/m2). La température de l'air était supérieure à 1200°C et la pression voisine de 270 bars, principalement entretenue par la vapeur d'eau et le gaz carbonique.

Les plus anciennes traces de fusion du manteau (la zone en fusion située sous la croûte terrestre solidifée) ont été découvertes à Ishua, à l'ouest du Groenland et sont datées de 3.872 milliards d'années sur base d'un excès en néodyme (142Nd) par rapport à d'autres échantillons. Il s'agit de coussins basaltiques de lave issus de la fusion partielle du manteau qui ont conservé des traces d'une différentiation chimique primordiale au sein d'un océan magmatique.

Il fallut ensuite patienter encore 70 à 100 millions d'années soit entre ~4.47 et 4.40 milliards d'années pour que le flux thermique chute en-dessous de 150 W/m2 et que la température en surface tombe sous 300°C, permettant la solidification superficielle du magma et la formation d'un croûte solide. L'effet de serre resta important durant toute cette période avec une pression de gaz carbonique dans l'air de 40 bars (contre 3.5 x 10-4 bars aujourd'hui).

Concernant la Lune, au début de l'Hadéen notre satellite encore chaud et envahi de lacs de lave se trouvait à peine à 25000 km de distance de la Terre. Il faudra attendre l'Archéen soit environ 800 millions d'années pour qu'elle se déplace lentement jusqu'à 100000 km de distance et influence sensiblement la période de rotation de la Terre et pratiquement attendre 4 milliards d'années pour qu'elle atteigne sa distance actuelle à environ 385000 km de la Terre. On y reviendra dans l'article consacré à la Lune.

1. Formation de l'atmosphère

Le plus important dans l’évolution de la Terre fut la formation de l’atmosphère car c’est le mélange approprié des gaz qui favorisa l’émergence de la vie à partir des océans et sa survie.

De nos jours, la Terre dispose d'une atmosphère composée de 78 % en volume (75.5 % en masse) d'azote et de 21 % d'oxygène plus d'infimes quantités d'argon, de gaz carbonique et d'autres éléments, y compris solides. Ce n'est plus du tout la composition de l'atmosphère primitive capturée du disque protosolaire par gravitation qui se rapprochait de celle de Jupiter, à savoir constituée d'environ 81 % d'hydrogène et de 18 % d'hélium, elle même proche de celle du Soleil (92 % d'hydrogène et 7.8 % d'hélium).

Qu'est devenue cette atmosphère primitive ? Plusieurs hypothèses ont été proposées mais aucune n'est totalement satisfaisante ou autosuffisante.

Tout d'abord nous savons que les planétésimaux et autres grosses météorites dont Théia (l'impacteur qui donna naissance à la Lune) contenaient non seulement des roches mais également du gaz. Au moment de leur impact avec la jeune Terre en formation, une partie de l'énergie de choc fut transmises aux éléments légers qui ont acquis suffisamment d'énergie pour se libérer de l'attraction terrestre. Mais en même temps, d'autres impacteurs ont apporté des éléments volatils sur Terre, si bien que nous ignorons quel fut le bilan final de ces collisions.

Ensuite, avant la mise en place du champ géomagnétique (avant 4.4 milliards d'années) sur lequel nous reviendrons, le flux de particules du vent solaire avait la force nécessaire pour souffler les éléments les plus légers qui se sont également dispersés dans le milieu interplanétaire.

Enfin, à une époque où la couche d'ozone n'était pas encore constituée faute d'oxygène, sous l'effet du rayonnement UV, la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère a été photodissociée en atomes d'hydrogène qui se sont échappés dans l'espace.

La signature des planètes. Document NASA.

Bien que disparue depuis au moins 4.4 milliards d'années, les géochimistes ont découvert que des reliques de cette atmosphère primitive existent encore dans l'atmosphère et le manteau terrestre. En effet, des traces isotopiques d'hélium-3 (7 x 10-6 ppm) dont l'existence est liée sans équivoque à la nucléosynthèse solaire et donc contemporains de la formation de la nébuleuse protosolaire sont présents dans l'air ainsi que sur les dorsales océaniques où le déplacement des plaques tectoniques dépose des roches siliceuses riches en molécules de gaz archaïques. Les roches magmatiques que l’on y trouve peuvent concentrer les gaz dans un rapport 105:1. Ainsi, en Islande on a découvert que la concentration en hélium-3 est jusqu'à 37 fois plus élevée que celle de l'hélium-4. Même conclusion pour l'excès en isotope du néon-20 qui est plus proche de la composition du Soleil que de celle de l'atmosphère terrestre.

Quant aux composés de l'atmosphère actuelle, nous savons depuis les années 1950 que les gaz contenus dans l’atmosphère proviennent de l’intérieur de la Terre. En effet, à l'époque où les planétésimaux se sont agglomérés, ils ont capturé le gaz du disque avant que celui-ci se dissipe. Ils ont donc emprisonnés des gaz qui se sont ensuite échappés du sol et du magma, formant par la même occasion probablement 60 % de l’eau des océans et l’atmosphère.

En draguant les fonds abyssaux à la recherche de roches primitives, les chercheurs découvrirent que 80 à 85 % de l’atmosphère s’échappa durant le premier million d‘années de formation de la Terre. Le restant fut libéré lentement mais de façon continue pendant les 4.4 milliards d’années restants.

Entre 4.56 et 4.40 milliards d'années, le dégazage intensif des éléments volatils a permis de remplacer l'atmosphère primitive héritée du Soleil par des éléments volatils extraterrestres ou résultant de transformations chimiques locales. La température à la surface de la Terre passa progressivement de plus de 2000°C et moins de 300°C, tout le gaz se trouvant encore à l'état de vapeur.

En surface, la pression (partielle) de la vapeur d'eau était de 270 bars (contre 17 mbars à 15°C aujourd'hui), celle du gaz carbonique était comprise entre 40 et 210 bars selon qu'on prend en compte uniquement le gaz carbonique de l'air ou également celui séquestré dans le manteau (contre 0.35 mbars ou 395 ppm aujourd'hui) avec un très fort effet de serre.

La structure de l'atmosphère primitive était donc à prédominance de gaz carbonique et d’azote (cf. J.Kasting, 1984, 1993). Elle contenait également du méthane, de l’ammoniac, du dioxyde de soufre et de l’acide chlorhydrique, bref un environnement invivable, d'autant qu'il n'y avait alors encore aucune trace d’oxygène. Sa composition était alors identique à celle de Vénus aujourd'hui et trop chaude pour supporter une forme de vie.

Ensuite, entre 4.4 et 4 milliards d'années, malgré la condensation du gaz carbonique dans les océans, il resta le composant majoritaire de l'atmosphère où sa pression partielle était d'au moins 40 bars et la température d'au moins 200°C en surface au début de la période.

On ignore ce qui s'est produit dans l'atmosphère entre 4.4 et 2.5 milliards d'années. Deux hypothèses ont été proposées sur base des modèles informatiques et des rares indices découverts à ce jour : soit la Terre s'est refroidie jusqu'à provoquer une glaciation majeure soit l'effet de serre a diminué mais est resté important.

Dans tous les cas, à partir de 4.4 milliards d'années, la Terre subit un lessivage des roches silicatées tant au fond des océans (basaltes) que sur les surfaces émergées (granitoïdes) qui libéra de grandes quantités de silice et de bicarbonate, ce dernier précipitant ensuite sous forme de carbonate de calcium, donnant naissance à la craie.

Résultat de ces réactions, en l'espace de 10 millions à plus de 100 millions d'années selon les modèles, on estime que le gaz carbonique se trouva piégé dans les carbonates mais on ignore en quelles quantités. Au fond des océans, il fut recyclé dans les zones de subduction puis séquestré dans le magma tandis que dans l'atmosphère cette réaction aurait pu faire chuter la pression de gaz carbonique jusqu'à 0.2 ou 1 bar.

Dans le second modèle, sur bases des mesures isotopiques de l'oxygène et du silicium présents dans les roches Hadéennes, la température en surface et dans l'eau resta élevée si bien qu'on estime que la pression du gaz carbonique devait être de l'ordre de 3 bars.

Notons que certains auteurs avancent l'hypothèse que vers 3.8 milliards d'années l'atmosphère était riche en méthane et que des organismes méthanogènes auraient pu enrichir l'atmosphère en ce gaz à puissant effet de serre. Mais aucune preuve ne supporte cette théorie qui reste controversée.

Comme nous l'avons expliqué, c'est entre 4.4 et 4.1 milliards d'années que l'oxygène commença à "empoisonner" l'atmosphère. Progressivement, en l'espace de 300 à 600 millions d'années, ce gaz mortel à forte concentration fut mis à profit par les premiers organismes qui apprirent à l'utiliser dans leur métabolisme.

Compte tenu de la productivité de l'azote, du gaz carbonique et de la vapeur d'eau, on estime que la production de molécules organiques s'est bien déroulée dans l'atmosphère durant tout l'Hadéen et peut-être même jusqu'à la fin de l'Archéen (il y a 2.5 milliards d'années) mais pas encore dans l'océan compte tenu de la durée de vie limitée de ces molécules dans un milieu où la température et la pression restaient très élevées.

Quant à l'effet de serre évoqué plus haut, il faut tenir de la quantité importante de méthane (CH4) dégazé par le manteau terrestre il y a plus de 3.5 milliards d'années dont la production fut ensuite largement épaulée par les micro-organismes méthanogènes. Si aujourd'hui le méthane est dégradé par l'oxygène en quelques années (demi-vie de 7 ans), durant l'Archéen le méthane a pu facilement s'accumuler dans l'atmosphère, augmentant sensiblement l'effet de serre.

Mais ce méthane n'a jamais présenté de concentration très élevée car au-delà de 10% de la concentration de gaz carbonique, il se polymérise en formant des macromolécules comme l'éthane (C2H6). Il forme alors une brume de matière organique qui filtre la lumière solaire et refroidit donc la surface. Notons qu'aujoud'hui l'éthane représente une importante source d'énergie au même titre que le butane, le propane et les autres gaz naturels carbonés.

Finalement, vers 2 milliards d'années, la pression partielle d'oxygène dépassa celle du gaz carbonique pour atteindre le niveau actuel, tandis que la concentration de gaz carbonique continua à chuter. Malheureusement, l'apparition de l'homme a changé toute l'écosystème. L'industrialisation a fait remonter le taux de gaz carbonique qui correspond aujourd'hui (plus de 400 ppm depuis 2016) au taux existant il a plus de 2.5 millions d'années accompagné d'une hausse moyenne de la température supérieure 1°C par rapport à la période pré-industrielle.

2. Formation des océans

Les océans se sont formés dès l'Hadéen (entre 4.5-3.8 milliards d'années) suite au dégazage intensif du manteau terrestre. En effet, l'analyse isotopique de l'eau et notamment de l'hydrogène (1 proton) et du deutérium (1 proton + 1 neutron) montre que l'eau de mer contient la même proportion de deutérium que les micrométéorites qu'on retrouve notamment en Antarctique. Ces roches se sont formées directement suite à la condensation de la nébuleuse protosolaire.

Chauds, acides et très salés, sous une atmosphère plombée encore plus chaude, orange et suffocante de gaz carbonique, les océans verts et encore stériles de l'Hadéen n'avaient rien d'attirant. Document T.lombry.

Que l'eau existe sous forme moléculaire (H2O) ou cristallisée (OH) dans les minéraux, elle s'est libérée et continue à se libérer sous l'effet de la chaleur régnant dans le manteau. Favorisant localement sa fusion, le magma moins dense remonte en surface via les cheminées volcaniques. Ensuite, les gaz sont libérés au cours des éruptions volcaniques et sont transportés dans l'atmosphère. L'eau se condense et retombe sous forme de pluie sur la surface de la terre. C'est ce cycle qui a formé un ou plusieurs océans, faisant tomber sur terre des déluges de pluie accompagnés de tempêtes et d'ouragans pendant des millions d'années !

La découverte de fossile de pluie, c'est-à-dire de l'empreinte de gouttes de pluie dans des matériaux meubles et les résultats de leur analyse (leur forme, leur taille, leur vitesse, etc.) ont permi d'évaluer la pression atmosphérique à l'époque de leur chute. Ces données, complétée par des modèles climatiques ont permis de déduire que l'intensité des pluies s'est fortement réduite à l'Archéen (voir plus bas), devenant pas plus de deux fois plus intense qu'aujourd'hui.

Des traces archaïques de zircon contenant de minuscules diamants ont été découvertes à l’ouest de l’Australie remontant entre 4.1 et 4.4 milliards d’années[2]. Ces diamants contiennent des traces d'oxygène terrestre, apportant la preuve que de l'oxygène et de l'eau chaude existaient déjà sur Terre il y a 4.4 milliards d'années.

Nous assistons ensuite à une première vague de bombardements cométaires, peut-être suivie d'une seconde. Etant donné que plusieurs comètes visitées par les sondes spatiales ne présentent pas la même abondance isotopes que celle les océans, si elles ont probablement participé au remplissage des fosses océaniques, la contribution des comètes ne peut pas dépasser 30 à 40 % de la masse d'eau selon les dernières estimations (les valeurs inférieures à 10 % de la masse des océans étant contredite par les données récentes). On y reviendra à propos de l'origine de l'eau terrestre et de sa présence ailleurs dans l'univers.

La couleur des océans primitifs

Si nous savons à présent que les océans primordiaux étaient chauds et acides, quelle était leur couleur ? Dans une atmosphère majoritairement composée de gaz carbonique et donc réductrice, les pluies étaient acides et ont facilement désagrégé les minéraux silicatés. Le fer n'a pas été oxydé comme aujourd'hui en donnant sa couleur rouge aux continents mais s'est libéré dans les océans sous forme soluble, leur donnant une couleur verte. Aujourd'hui, on trouve encore cette couleur dans les lacs acides d'origine volcanique comme ceux du parc de Yellowstone aux Etats-Unis ou à Kawa Ljen en Indonésie. Certains affichent un pH quasiment négatif !

Formation du sel marin

Quelle était la salinité des océans primitifs ? L'origine actuelle du sel marin composé de chlore et sur lequel nous reviendrons dans l'article consacré à la Terre peu de chose à voir avec celle des océans primitifs. Si aujourd'hui les océans contiennent en moyenne 35 g de sel par litre, durant l'Archéen la quantité de sel devait être voisine de 60 g par litre. A cette époque, il existait encore peu de continents émergés (voir ci-dessous) et donc peu de possibilités d'évaporation de l'eau salée. Le sel s'est donc formé différemment qu'aujourd'hui et a plusieurs origines.

D'abord, comme dans le cas de l'eau, ce sont les remontées de gaz volcaniques issus du manteau terrestre qui ont donné naissance au chlore parmi d'autres gaz (CO2, F, He, etc.) suite à la décomposition des matières volatiles. Un second vecteur est représenté par les météorites, en particulier les chondrites contenant des chondres ou sphérules de silicates fondus. Tout ces matériaux ont forgé la Terre primitive et les plus légers se sont finalement retrouvés en surface où il furent érodés et transportés par l'eau et le vent jusqu'à la mer.

3. Emergence des continents : une histoire Archéenne

L’émergence des continents est beaucoup plus tardive. Pour les géologues et les micropaléontologues, les plus vieux sédiments que l’on retrouve à Ishua au Groenland, en Inde et au Gabon remontent entre 3.7 et 3.8 milliards d’années, c'est-à-dire à l'Archéen. D’autres plaques tectoniques, telle la région d’Acastagneiss située sur la partie ouest du bouclier canadien sont âgées de 3.96 milliards d’années.

Gros-plan sur le bouclier canadien (la surface orange, rose et ocre). Il recouvre presque la moitié de la superficie du Canada. Yellownife se trouve sur la bordure ouest du bouclier canadien. Document USGS.

Il n'existe que trois endroits dans le monde contenant des roches de plus de 4 milliards d'années : dans l'ouest de l'Australie, dans le bouclier canadien (plateau laurentien) ainsi qu'au nord des Territoires du Nord-Ouest du Canada où il existe des roches métamorphiques comme des granites et des zircons très anciens.

Ainsi, en 2017 les géochimistes Jonathan O’Neil de l'Université d'Ottawa et Richard Carlson de la Carnegie Institution de Washington DC ont publié dans la revue Science une étude décrivant la découverte de roches appartenant à la croûte terrestre originelle. Ces roches furent découvertes dans les collines basses (elles furent érodées durant le dernier âge glaciaire) situées aux abords de la baie d'Hudson, au nord-est du Canada.

Comme on le voit ci-dessous à gauche et au centre, la pierre ressemble presque à n'importe roche brute : grise, dure, informe. C’est un granite d'apparence ordinaire mais qui cache un trésor. En effet, grâce à une nouvelle technique de datation, les deux chercheurs ont découvert dans ces échantillons des traces de samarium-146, un élément des terres rares, radioactif et donc instable dont la demi-vie est de 103 millions d'années. On ne trouve cet élément que dans la toute première croûte terrestre. Au cours de sa décroissance, il forme différents isotopes-fils dont le néodyme-142. C'est en mesurant au spectromètre de masse la proportion des différents isotopes qu'on peut déterminer ceux qui proviennent d'une ancienne roche formée avant la disparition du samarium-146. En appliquant cette méthode, O'Neil et Carlson ont pu déterminer que le granite s'est formé par métamophisme il y a 2.7 milliards d'années et que le basalte originel s'est formé il y a au moins 4.2 milliards d'années, un record absolu. Autrement dit, cet élément aurait été incorporé dans une roche basaltique pendant 1.3 milliard d’année avant de se transformer en granite.

Cela signifie surtout que les basaltes qui se sont transformés en granite de 2.7 milliards d'années ont survécu pendant 1.5 milliard d'années avant de subir les processus destructeurs de la subduction et du métamorphisme. Aujourd'hui, une telle survie serait impossible en raison des déplacements des plaques tectoniques qui renouvelle les basaltes en une centaine de millions d'années.

Comme un fossile conserve les détails des structures originelles, bien que la roche se soit transformée au fil des éons, elle ressemble encore fortement à la roche initiale. "C'est un basalte correspondant parfaitement à la composition de la roche précurseur que nous pensons être à l’origine de tout", a expliqué O'Neil. La vidéo ci-dessous décrit cette découverte.

En résumé, deux hypothèses peuvent expliquer la survie de ces basaltes. Selon la première théorie, les basaltes qui ont formé les granites du Canada proviendraient d'un gigantesque bloc rocheux qui résista à la subduction pendant 1.5 milliard d'années. Selon une seconde théorie, les mouvements tectoniques à l'époque de la Terre primitive étaient très lents voire inexistants, ce qui aurait permis aux basaltes de "flotter" à la surface de la Terre beaucoup plus longtemps que sous le régime actuel. Cette seconde hypothèse est supportée par d'autres résultats publiés en 2017 par Tim Johnson et ses collègues indiquant qu'il n'existait peut-être pas de plaques tectoniques à l'époque de la Terre primitive et donc que les premiers continents ne se sont pas formés par subduction. Cette hypothèse contredit évidemment l'idée que les plaques tectoniques expliqueraient le mieux l'évolution géodynamique de la Terre durant le premier milliard d'années. Mais une deuxième découverte que nous allons décrire tout de suite va dans le même sens que la proposition de Tim Johnson.

A voir : An Original Part of Earth's Crust Discovered

A gauche, le granite qu"on trouve sur les rives est de la baie d'Hudson contiennent des traces de la croûte terrestre primitive. Au centre, un échantillon de granite daté de 4.2 milliards d'années, un record absolu. A droite, un échantillon de roche découvert à 300 km au nord de Yellowknife, dans les Territoires du Nord-Ouest, au Canada. La datation des inclusions de zircon indique qu'elle remonte à 4.02 milliards d'années. Documents J.O’Neil et R.Carlson/Carnegie Institution et J. R. Reimink et al.

Comme on le voit ci-dessus à droite, un autre échantillon de roche très ancien fut découvert à 300 km au nord de Yellowknife, dans la partie ouest du bouclier canadien, à 2200 km environ à l'ouest du site de la baie d'Hudson. Selon une étude publiée en 2016 dans Nature Geoscience par le géophysicien Jesse R. Reimink de l'Université d'Alberta et son équipe, les zircons incrustés dans cette roche indiquent sans ambiguïté qu'elle remonte à environ 4.02 milliards d'années, approchant de peu du record précité.

Les signatures chimiques de cette roche furent analysées afin de comprendre comment le magma s'infiltra et interagit avec la roche et notamment avec les zircons. L'une de ces signatures enregistra l'assimilation du magma provenant de l'écorce terrestre. En effet, pendant son refroidissement, le magma réchauffe et fait fondre les roches autour de lui dont on peut encore trouver quelques traces aujourd'hui. La roche découverte près de Yellowknife en fait partie car elle provient d'une couche de roche fondue qui a interagit avec du magma plus ancien. Les traces de cette interaction sont visibles dans les cristaux de zircon.

L'échantillon ne présente aucune signature de l'écorce continentale. Si cela soulève plus de questions qu'elle n'en résout pour les géologues, elle révèle un fait en faveur de la théorie de Tim Johnson évoquée ci-dessus à propos de l'absence de plaque tectnique à cette époque ancestrale. En effet, cette roche suggère que la Terre d'il y a 4 milliards d'années était recouverte d'une surface solide similaire à la croûte océanique (celle qui forme le fond des océans) et non pas d'une croûte continentale comme on s'y attendait. Cette roche est donc précieuse car sa signature chimique unique révèle comment les premiers continents se sont formés et renseigne les scientifiques sur la nature des premières écorces terrestres.

En résumé, la découverte des deux roches de plus de 4 milliards d'années dans le nord du Canada suggère que pendant l'Hadéen il n'existait pas encore de continents. Mais cela ne veut pas dire qu'il n'y avait pas de "points chauds". La Terre de l'Hadéen devait être couverte d'îles volcaniques plus ou moins étendues dispersées dans un océan aux effluves acide et aux reflets verts ou rouges sous la lueur des laves. On en déduit que les plaques tectoniques sur lesquelles reposent les continents et beaucoup d'îles se sont formés il y a moins de 4 milliards d'années, durant l'Archéen.

Naissance des continents

Les théories de la tectonique des plaques et de la dérive des continents de Wegener nous apprennent que la Terre est constituée de 12 plaques tectoniques principales, auxquelles s’ajoutent de nouveaux morceaux apparus suite à des ruptures ou des collisions entre plaques. Leurs limites sont formées par les ruptures dans le plancher de l’écorce terrestre, les zones de subduction et les fractures secondaires (cf. ce schéma).

Paysages chaotiques de la Terre primitive durant l'Archéen, il y a 3.8 milliards d'années. Notons qu'à cette époque, la plupart des formations lunaires étaient déjà en place. Documents T.Lombry et Welkor3D.

Les continents sont les seules structures de l’écorce terrestre n’ayant pas été recyclées, et par conséquent détruites par l’incessant cycle géothermique de convection qui se déroule dans le manteau. Leur subsistance vient du fait que les continents sont constitués de matériaux légers qui restent en surface pendant les phases de subduction des plaques tectoniques. Il n’est donc pas étonnant de retrouver des roches continentales remontant à 2 ou 3 milliards d’années alors que les fonds sédimentaires ou magmatiques des océans ne dépassent pas quelque 200 millions d’années.

Sur le plan paléontologique, on peut donc trouver dans les roches continentales les traces fossiles des premières formes de vie, y compris en haute altitude en raison du soulèvement des plaques tectoniques. Ces traces fossilisées ne sont toutefois pas très nombreuses car l’activité géologique, l’érosion et le métamorphisme ont détruit la plupart des roches primitives. Peu de fragments ont survécu à cette machine géologique infernale.

Le cycle des roches terrestres. Document The Geological Society adapté par l'auteur.

Notons que pour un paléontologue comme pour un archéologue, outre l'activité géologique qui peut effacer toute trace de vie en quelques minutes, l'érosion des sols et la décomposition des organismes jouent un rôle très pénalisant. C'est encore plus vrai dans les régions humides où les restes des organismes morts pourrissent et disparaissent avant leur momification ou leur fossilisation. C'est l'une des raisons qui rend le travail de ces chercheurs difficile quand il faut retracer la distribution d'une population ou l'origine géographique d'une espèce sachant que le manque de fossiles dans une région ne signifie pas que l'espèce n'y a pas vécu.

Concernant la durée du jour, durant l'Hadéen la période de rotation de la Terre était inférieure à 6 heures puis elle s'est fortement ralentie en l'espace d'un milliard d'années. On estime que durant l'Archéen cette durée a progressivement augmenté de 14 à 18 heures entre 3.8 et 2.5 milliards d'années. Il y a 550 millions d’années encore, au tout début du Cambrien, les premiers animaux marins devaient se contenter de 20 heures, la coquille du nautile par exemple en apportant la preuve (chaque jour la plupart des invertébrés marins ajoutent une strie à leur coquille. L'étude de leurs fossiles permet donc de calculer la durée du jour depuis le Cambien). Ce phénomène est intéressant à noter car il eut un effet sur le climat, sur la vitesse des vents et l'érosion des sols ainsi que sur le métabolisme des organismes.

Durant l'Hadéen, les vents devaient être très violents avec une houle très impressionnante, d'autant que les continents n'existaient pas encore et que la Lune était alors beaucoup plus proche de la Terre (<25000 km). Il faudra attendre le début de l'Archéen pour que la Lune s'éloigne jusqu'à 100000 km de distance. Par endroits, l'amplitude des marées atteignit une centaine de mètres de hauteur ! Les rivages étaient donc soumis à une érosion intense, générant des débris et des dépôts importants de sédiments dans les dépressions.

Comme nous l'avons expliqué, sous l'effet des pluies acides le fer présent dans les roches s'est dissolu dans les océans, donnant aux continents une couleur grise bordés par des eaux acides et vertes, un milieu qui est resté franchement invivable jusqu'à la fin de l'Hadéen. Parfois, on peut encore retrouver des roches Archéennes sous forme de sables ou de galets érodés d'uraninite (du minerai d'uranium) et de pyrite (sulfure de fer), les rares témoins de cette époque primordiale.

Prochain chapitre

L'apparition et le développement de la vie

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[1] L’âge de la Terre fut déterminé à partir d’horloges isotopiques. Cet âge est également confirmé dans les fragments météoritiques. Lire à ce sujet "Le Soleil, la Terre... la vie : La quête des origines," Robert Pascal et al., Belin/Pour la Science, 2009. Lire également les travaux de Bruce R.Doe et Robert E.Zartman de l’U.S.Geological Survey, de George W.Wetherill de la Carnegie Institution de Washington.

[2] Lire J. W. Valley et al., "Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography", Nature Geoscience, 2014. Lire les magazines “Nature” et “Geochimical and Cosmochimical Acta”, en particulier les travaux de David McGregor de l’Université de Maryland, Manfred Schidlowski de l’Institut Max Planck de Chimie, Stephen Moorbath de l’Université d’Oxford, Samuel Bowring du MIT et William Compston de l’Université Nationale de Canberra.


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