Pour les spécialistes de la Terre, ce sont des questions importantes alors que nous essayons d'améliorer les projections afin de préparer les communautés aux événements dangereux à l'avenir.

Nous nous appuyons sur des mesures instrumentales, mais ces enregistrements sont souvent courts. Pour les étendre, nous utilisons les archives géologiques. Et au cœur de cette recherche se trouve la géochronologie, une boîte à outils de méthodes de datation géologique qui nous permettent d'attribuer des âges absolus aux roches.

Ces dernières années, nous avons utilisé une technique de pointe connue sous le nom de datation cosmogénique d'exposition en surface, qui nous permet de quantifier le temps qu'une roche a passé à la surface, exposée à des signaux provenant de l'espace.

Utiliser les rayons cosmiques comme horloge

La Terre est constamment bombardée par des particules chargées de haute énergie, appelées rayons cosmiques, provenant des profondeurs de notre galaxie. La plupart sont interceptés par le champ magnétique et l’atmosphère terrestre. Mais certains sont suffisamment énergétiques pour atteindre la surface de la Terre.

Lors de l'impact, ils brisent les atomes des éléments communs de la croûte terrestre, tels que le silicium et l'oxygène, pour créer de nouveaux éléments rares appelés nucléides cosmogéniques.

La présence de nucléides cosmogéniques dans les roches et les sédiments à la surface de la Terre est un indicateur clair de l'exposition atmosphérique. Leur abondance nous indique depuis combien de temps la roche est exposée.

Les rayons cosmiques ont été découverts pour la première fois au début des années 1900, mais il a fallu près d'un siècle avant que des accélérateurs de particules suffisamment sensibles soient disponibles pour compter avec précision le petit nombre d'atomes rares produits lorsqu'ils frappent la Terre.

Aujourd'hui, la datation cosmogénique de l'exposition à la surface représente une technique principale pour quantifier les taux et les dates de plusieurs processus à la surface de la Terre.

Calcul de l'effondrement d'une montagne

Dans le sud-est du Fiordland, le glissement de terrain de Green Lake est l'un des plus grands glissements de terrain au monde. Sa grande taille est particulièrement inhabituelle étant donné la taille relativement petite des montagnes d'où il est issu.

Des recherches antérieures suggéraient que le glissement de terrain avait été provoqué par le retrait d'un grand glacier qui soutenait autrefois le flanc de la montagne.

Compte tenu du retrait glaciaire en cours aujourd'hui, nous avons cherché à tester cette hypothèse en collectant des rochers à la surface du glissement de terrain de Green Lake. Ces roches avaient auparavant été protégées des rayons cosmiques à l'intérieur des montagnes avant d'être exposées par le glissement de terrain.

Nos mesures ont donné un âge d'exposition d'environ 15 500 ans, soit 3 000 à 4 000 ans après la fin de la dernière période glaciaire dans les Alpes du Sud. De ce résultat, nous concluons qu’il est peu probable que la déglaciation ait été la cause principale de cet effondrement spectaculaire des montagnes. Au lieu de cela, nos résultats indiquent qu'un tremblement de terre extrêmement important serait le déclencheur le plus probable.

À quelle fréquence les volcans émettent-ils de la lave ?

Des éruptions volcaniques effusives (productrices de lave) ont construit le grand cône du mont Ruapehu, la plus haute montagne de l'île du Nord.

Malgré quelques épisodes explosifs au cours du XXe siècle, il n’existe aucune observation d’éruptions produisant des coulées de lave. De futurs événements effusifs pourraient remodeler fondamentalement le cône volcanique, avec des implications potentielles sur les infrastructures locales.

Mais à quelle fréquence de telles éruptions se produisent-elles ?

Soutenus par le défi scientifique national Résilience à la nature, nous avons testé si la datation cosmogénique pouvait nous aider à déterminer les intervalles de récurrence des éruptions productrices de lave sur le mont Ruapehu au cours des 20 000 dernières années.

Nous avons trouvé la lave éjectée par la montagne en grappes d'activité éruptive qui pourraient durer des millénaires. Les données cosmogéniques ont également fourni des dates plus précises pour les éruptions préhistoriques récentes, par rapport à celles produites par d'autres techniques de datation volcanique courantes telles que les méthodes paléomagnétiques et radiométriques.

Suivre la fonte des glaces

Avant les mesures de nucléides cosmogéniques, les géologues glaciaires tentant de déterminer l’âge des sédiments s’appuyaient sur des découvertes fortuites de matières végétales fossiles pour la datation au radiocarbone. Dans les régions alpines et polaires, où se trouvent la plupart des glaciers, une telle matière est rarement disponible.

Les nucléides cosmogéniques résolvent ce problème lorsque les glaciers extraient les roches de leur base et les transportent vers la surface où elles reposent sur les pentes des collines et les moraines et commencent à accumuler leur signal cosmique.

Avec le soutien de la Plateforme scientifique antarctique de Nouvelle-Zélande, nous avons appliqué cette technique pour reconstruire l'évolution récente du glacier Byrd, un important débouché de la calotte glaciaire de l'Antarctique oriental.

Les galets glaciaires, transportés de l'intérieur de l'Antarctique et déposés sur les flancs des collines de chaque côté du glacier en mouvement, permettent de suivre la hauteur du glacier dans le passé.

Notre étude montre que le glacier s'est aminci d'au moins 200 mètres il y a environ 7 000 ans au cours d'une période de relative stabilité climatique mondiale. Ces résultats fournissent des informations tridimensionnelles rares qui peuvent être utilisées pour évaluer les modèles informatiques utilisés pour simuler les changements passés, présents et futurs de la calotte glaciaire.

L’élévation du niveau de la mer constitue l’un des plus grands défis auxquels la civilisation est confrontée au cours de ce siècle. Cependant, la réponse incertaine des calottes glaciaires au changement climatique entrave actuellement les projections.

Les spécialistes des nucléides cosmogéniques tentent désormais de récupérer des échantillons de roches sous les parties sensibles des calottes glaciaires actuelles. Les tester pour détecter les signaux cosmiques fournira des informations importantes sur le potentiel de fonte future des calottes glaciaires.