Les minéraux piégés dans de minuscules cristaux qui ont survécu au broyage des continents pendant des milliards d'années peuvent aider à révéler les origines de la tectonique des plaques et peut-être même fournir des indices sur la complexité de la vie sur Terre.

La théorie de la tectonique des plaques - qui décrit comment la croûte terrestre est séparée en plaques qui flottent et glissent sur une couche de roche malléable en dessous - est devenue largement acceptée par la science il y a environ 50 ans. On pense que le processus a largement façonné le monde qui nous entoure en permettant aux continents de se former, lançant d'énormes chaînes de montagnes lorsqu'elles se heurtent, créant des îles volcaniques et déclenchant des tremblements de terre catastrophiques.

Mais il y a encore un débat sur comment et quand exactement au cours des 4,5 milliards d'années d'histoire de notre planète, les plaques se sont formées, les estimations varient de moins d'un milliard à 4,3 milliards d'années.

On ne sait pas non plus exactement à quelle vitesse la tectonique des plaques a évolué, dit le Dr Hugo Moreira, géologue à l'Université de Montpellier en France. La croûte terrestre s'est-elle brusquement divisée en plusieurs plaques et a commencé à se déplacer sur des dizaines de millions d'années, ou le processus était-il beaucoup plus progressif, prendre des centaines de millions d'années ou plus ?

Comprendre cela pourrait s'avérer crucial pour comprendre non seulement comment la planète elle-même a évolué, mais aussi comment la vie a pu être lancée sur Terre. On pense que les conditions créées par la tectonique des plaques ont contribué à rendre la Terre hospitalière à la vie et ont également fourni les nutriments essentiels nécessaires à la prospérité de la vie multicellulaire complexe.

Capsules temporelles en cristal

Le Dr Moreira et ses collègues cherchent des réponses à ces questions à l'intérieur de minuscules cristaux de zircon, qui sont des capsules temporelles du passé lointain de la Terre en raison de leur extrême robustesse. On les trouve souvent préservés dans la roche malgré l'action des intempéries et des événements géologiques continus.

Beaucoup de ces cristaux ont déjà été datés en analysant la désintégration radioactive des isotopes - différentes formes d'éléments - qu'ils contiennent. Certains ont été trouvés à ce jour il y a 4,4 milliards d'années, les premiers fragments connus de la croûte terrestre.

"C'est pourquoi le zircon est incroyable, car bien que les roches qui composent les continents aient été détruites, le zircon a survécu dans les archives sédimentaires, " a déclaré le Dr Moreira. Les scientifiques ont déjà utilisé des cristaux de zircon pour étudier l'histoire de la croûte continentale de la Terre, mais cela n'a pas encore été suffisant pour fournir un consensus définitif sur le début de la tectonique des plaques, il dit.

"Après en avoir analysé des centaines de milliers, nous n'avons toujours pas d'accord, " a déclaré le Dr Moreira, membre du projet MILESTONE dirigé par le Dr Bruno Dhuime, un chercheur en géosciences pour le Centre National de la Recherche Scientifique français également à l'Université de Montpellier.

Les chercheurs espèrent utiliser ces cristaux, qui mesurent généralement environ un dixième de millimètre, ou à peu près l'épaisseur d'un cheveu humain - pour améliorer notre compréhension du calendrier et de l'évolution de la tectonique des plaques.

Le groupe MILESTONE creusera à une échelle encore plus petite - environ un centième de millimètre - pour examiner les traces de minéraux d'apatite et de feldspath piégés à l'intérieur des cristaux de zircon. Les isotopes du strontium et du plomb dans ces "inclusions" peuvent ajouter des détails sans précédent sur la source de formation du zircon et si cela s'est produit dans les différents types de magma sous des plaques stagnantes ou en mouvement, dit le Dr Moreira.

"Ce sera une étape cruciale vers une meilleure compréhension de l'évolution de notre planète, " dit-il. " Si nous parvenons à mesurer la composition isotopique de ces minuscules inclusions, on pourrait dire quelle était la composition de la roche à partir de laquelle le zircon s'est cristallisé. Nous pouvons peut-être comprendre à quel point la croûte a évolué à ce moment-là et dans quel type de contexte tectonique le magma s'est formé."

Cette analyse à petite échelle a été rendue possible par la mise en place d'un laboratoire contenant un spectromètre de masse très sensible, équipement qui mesure les caractéristiques des atomes.

L'équipe espère commencer à analyser des échantillons le mois prochain, enquêter finalement sur les inclusions dans plus de 5, 000 zircons d'âge variable provenant du monde entier pour construire une image à grande échelle. "Ce que nous voulons faire, c'est identifier quand la tectonique des plaques est devenue mondiale au lieu de quand elle a été localisée en des points isolés ici et là, " a déclaré le Dr Moreira.

Ouvrages souterrains

A l'opposé de l'échelle, d'autres chercheurs ont cherché des indices sur les origines de la tectonique des plaques dans deux structures massives de la taille d'un continent trouvées profondément sous terre sous les plaques du Pacifique et de l'Afrique.

Ces 'pieux thermochimiques, " structures mystérieuses situées à environ 2, 900 kilomètres sous la surface à la frontière entre le noyau terrestre et le manteau, were discovered in the 1990s with the aid of seismic tomography—imaging from seismic waves produced by earthquakes or explosions. They were detected as potentially warmer areas of material in which seismic waves travel at different speeds than in the surrounding mantle, but there is still much debate about exactly what they are, including their composition, longévité, shape and origins.

Over the past couple of decades, a 'fiery' debate has arisen over their proposed link to movements on the planet's surface and so their potential involvement in the emergence of plate tectonics, explained Dr. Philip Heron, a geoscientist who studied the structures as lead researcher on the TEROPPLATE project at Durham University.

"These piles are thought to have an impact on how material moves within the planet, and therefore how the surface behaves over time, " he said. Events on the surface may in turn drive their activity.

One theory is that these piles are stable for long geological periods and their edges correspond with the position of key features involved in plate tectonics on Earth's surface, such as supervolcanoes.

Cependant, their extreme depth makes these piles difficult to observe directly. "Given that these structures are in places 100 times higher than Mount Everest, they may be the largest things in our planet that we know the least about, " said Dr. Heron.

Supercomputer power

The TEROPPLATE project harnessed supercomputer power to investigate. Using more than 1, 000 computers working in tandem, the team developed 3-D models of Earth to show how the assumed chemical composition of large hot regions deep underground might influence the formation and location of deep mantle plumes.

Cependant, their models indicated that the piles may be more passive in plate tectonics than initially thought and that the world would still form similar geological features without them. "When looking at the positioning of large plumes of material that form supervolcanoes, our numerical simulations indicated that the chemical piles were not the controlling factor in this, " said Dr. Heron.

But he added that these findings were not fully conclusive and have also opened the door to other interesting avenues for research—such as exploring the implications that these structures are constantly moving through the mantle rather than being largely stationary.

"It gives weight to the theory that the chemical piles may not be rigid and fixed in our planet, and that the deep Earth may evolve as readily as the continents on our surface move around, " he said. "It's a push to start looking deeper."

Some of TEROPPLATE's results also indicate that the piles may have been robust enough to survive Earth's earliest beginnings. That makes it feasible for them to have been around for the start of plate tectonics and thus to have had roles in the process that we don't yet know about, adds Dr. Heron.

All of this could have implications for understanding our own place on Earth too. Si, par exemple, plate tectonics evolved rapidly early in Earth's history, it may raise questions such as why complex life didn't emerge earlier or just how closely the two are linked, says Dr. Moreira.

"To fundamentally understand where plate tectonics comes from is potentially the essence of life, " added Dr. Heron. "On Earth, there's not a thing that hasn't been impacted by it."