Le manteau terrestre est constitué de roches solides qui circulent néanmoins lentement sur des millions d'années. Certains géologues supposent que cette lente circulation aurait effacé toute trace géochimique des débuts de l'histoire de la Terre il y a longtemps. Mais une nouvelle étude menée par des géologues de l'Université du Maryland a trouvé de nouvelles preuves qui pourraient remonter à plus de 4,5 milliards d'années.

Les auteurs du document de recherche, publié le 7 avril dans la revue Science , ont étudié les roches volcaniques qui ont récemment éclaté des volcans d'Hawaï et de Samoa. Les roches contiennent des anomalies géochimiques surprenantes, les « empreintes digitales » des conditions qui existaient peu après la formation de la planète.

Les chercheurs ne savent pas encore comment le manteau terrestre a préservé ces anomalies. Mais les résultats du groupe suggèrent que certaines de ces roches contiennent des matériaux qui ont survécu à toute l'histoire de la Terre et que l'intérieur de la planète n'est peut-être pas bien mélangé après tout.

"Nous avons trouvé des signatures géochimiques qui ont dû être créées il y a près de 4,5 milliards d'années, " a déclaré Andrea Mundl, chercheur postdoctoral en géologie à l'UMD et auteur principal de l'étude. "C'était particulièrement excitant de trouver ces anomalies dans des roches aussi jeunes. Nous ne savons pas encore comment ces signatures ont survécu si longtemps, mais nous avons des idées."

Les signatures anormales se trouvent dans les rapports des isotopes clés de deux éléments :le tungstène et l'hélium.

Dans le cas du tungstène, qui a de nombreux isotopes, le rapport important est le tungstène-182 au tungstène-184. L'isotope le plus lourd, tungstène-184, est stable et existe depuis la formation de la planète. Tungstène-182, d'autre part, résulte de la désintégration de l'hafnium-182, qui est très instable. Tout le hafnium-182 naturel s'est désintégré au cours des 50 premiers millions d'années de l'histoire de la Terre, laissant le tungstène-182 à sa place.

Le tungstène et l'hafnium se sont comportés très différemment au cours des 50 premiers millions d'années de la planète. Le tungstène a tendance à s'associer aux métaux, donc la majeure partie a migré vers le noyau de la Terre, tandis que l'hafnium, qui a tendance à s'associer aux minéraux silicatés, resté dans le manteau et la croûte terrestre. La plupart des roches sur Terre ont un rapport similaire de tungstène-182 au tungstène-184, et ce ratio sert de référence mondiale. Les géologues peuvent apprendre beaucoup des roches contenant une quantité inhabituellement élevée ou faible de tungstène-182, ce qui indique combien d'hafnium-182 était présente dans la roche il y a longtemps.

"Presque toutes ces anomalies se sont formées au cours des 50 premiers millions d'années après la formation du système solaire, " a déclaré Mundl. "Des niveaux plus élevés que la normale de tungstène-182 sont observés dans de très vieilles roches qui contenaient probablement beaucoup de hafnium il y a longtemps. Mais les niveaux inférieurs de tungstène-182 sont rares, et ressemblent à ce que nous pourrions nous attendre à voir profondément sous la surface, dans ou à proximité du noyau métallique de la planète."

Assez sur, Mundl et ses collègues ont observé une quantité inhabituellement faible de tungstène-182 dans certaines des roches d'Hawaï et de Samoa. A lui seul, le rapport isotopique du tungstène est intéressant, mais pas assez pour tirer des conclusions convaincantes. Mais les chercheurs ont également observé que les mêmes roches contiennent un rapport inhabituel d'isotopes d'hélium.

L'hélium-3 est extrêmement rare sur Terre, et a tendance à apparaître dans des échantillons de roche qui n'ont pas été fondus ou recyclés depuis la première formation de la planète. Hélium-4, d'autre part, peut se former à partir de la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium. Un rapport plus élevé que la normale de l'hélium-3 à l'hélium-4 indique généralement de très vieilles roches qui n'ont pas été modifiées de manière significative depuis la formation de la planète.

"Les variations de la composition isotopique de l'hélium sont connues depuis longtemps, mais n'ont jamais été corrélées avec d'autres paramètres géochimiques, " a déclaré Richard Walker, professeur et directeur du département de géologie à l'UMD et co-auteur de l'article. « Les roches avec des rapports élevés d'hélium-3 à hélium-4 ont généralement été supposées contenir du matériau de manteau « primitif », mais comment primitif n'était pas connu. Nos données sur le tungstène montrent qu'il est en effet très primitif, la région source se formant très probablement au cours des 50 premiers millions d'années de l'histoire du système solaire."

Mundl, Walker et leurs co-auteurs suggèrent quelques scénarios différents qui auraient pu produire les anomalies de tungstène et d'hélium qu'ils ont observées dans les roches volcaniques d'Hawaï et de Samoa. Peut-être que les volcans puisent de la matière dans le noyau de la Terre, où les rapports devraient favoriser une faible teneur en tungstène-182 et une forte teneur en hélium-3.

Alternativement, la surface extérieure rocheuse de la Terre pourrait s'être formée en plaques, avec de vastes océans de magma entre les deux. Certaines parties de ces océans de magma peuvent s'être cristallisées et se sont enfoncées jusqu'à la frontière entre le manteau et le noyau, en préservant les anciennes signatures de tungstène et d'hélium.

"Chacun de ces scénarios contient des incohérences que nous ne pouvons pas encore expliquer, " Mundl a dit. " Mais c'est un résultat passionnant qui est sûr de générer beaucoup de nouvelles questions de recherche intéressantes. "