Les progrès récents de la géochronologie, ou datation des roches, permettent aux géologues de mesurer la désintégration radioactive et d’attribuer des âges absolus très précis aux événements géologiques. Dans une autre étude, des scientifiques ont trouvé des preuves isotopiques d’un basculement soudain vers une tectonique des plaques primitive, remontant à environ 3,8 milliards d’années. Cette découverte suggère qu’une forme simple de subduction avait commencé au moins en un endroit de la planète à cette époque. De plus, un lac africain bordé d’arbres a fourni des données sur le champ magnétique terrestre des 150 000 dernières années.
De l’origine de la vie aux extinctions massives, la Terre a connu des changements incroyables au cours de ses 4,6 milliards d’années. Avec une histoire aussi longue, comment les chercheurs peuvent-ils retracer ce qui s’est passé et quand?
Le système adopté par de nombreux scientifiques est l’Échelle internationale des temps géologiques (décrite ici dans la Carte chronostratigraphique internationale), qui divise le temps géologique en cinq unités. Du plus long au plus court et au plus précis, ces unités sont les éons, les ères, les époques, les périodes et les âges.
Les différentes étapes des temps géologiques «sont définies par des changements visibles dans les archives fossiles», explique Jacqueline Gill, professeure agrégée de paléoécologie et d’écologie végétale à l’Université du Maine. Les fossiles sont un outil précieux pour ce travail de datation pour plusieurs raisons. Premièrement, la vie a probablement existé pendant environ 90 % de l’existence de la Terre, de sorte que l’histoire de la Terre est parallèle à celle de la vie. Les fossiles sont également utiles car les changements dans les archives fossiles reflètent les changements écologiques, c’est-à-dire la relation entre les êtres vivants et leur environnement. Ces changements dans l’écologie terrestre tendent à refléter les événements majeurs de l’histoire de la planète, selon livescience.com.
L’un des moments majeurs des temps géologiques fut la transition de l’ère mésozoïque à l’ère cénozoïque, il y a environ 65 millions d’années. Ce changement fut provoqué par l’impact d’un astéroïde qui finit par anéantir les dinosaures non aviaires.
Carte chronostratigraphique internationale 2020. Commission internationale de stratigraphie, stratigraphy.org
Nul besoin d’une machine à remonter le temps pour apprécier l’ampleur des changements entre les ères Mésozoïque et Cénozoïque. Un examen attentif d’une couche rocheuse peut suffire à aider un chercheur à déterminer son âge. Par exemple, l’impact qui aurait mis fin à l’ère Mésozoïque et inauguré l’ère Cénozoïque est marqué par une couche contenant des niveaux inhabituellement élevés d’iridium, un métal beaucoup plus abondant dans les météorites que dans la croûte terrestre.
D’autres changements dans les proportions minérales et élémentaires peuvent également témoigner de l’histoire mouvementée de la Terre. Par exemple, il y a un peu plus de 5 millions d’années, l’activité tectonique a fermé le détroit de Gibraltar, provoquant un rétrécissement de la mer Méditerranée et une augmentation spectaculaire de sa composition minérale. Cet événement s’est produit pendant la période messinienne et a marqué la fin du Miocène et le début du Pliocène, il y a environ 5,3 millions d’années.
Selon Karl Wegmann, professeur associé de géologie à l’Université d’État de Caroline du Nord, «des gisements de sel et de gypse sont désormais visibles dans de nombreux pays entourant la Méditerranée, et ils sont désormais exposés sous forme de roches au-dessus du niveau actuel de la mer» en raison de l’activité tectonique des millions d’années qui se sont écoulées depuis ce dernier événement.
Différentes couches de roches déposées au fil du temps dans un canyon à fentes de l’Utah sont visibles au Monument national de Grand Staircase-Escalante. Shutterstock
Les progrès récents en géochronologie, ou datation des roches, permettent aux géologues de mesurer la désintégration radioactive et d’attribuer des âges absolus très précis aux événements géologiques. Pour ce faire, les géochronologues calculent l’âge des roches en comparant les proportions de certains isotopes, c’est-à-dire des éléments dont le nombre de neutrons dans leur noyau est différent de la normale. Toutes ces approches s’assemblent comme un puzzle, offrant aux chercheurs un langage commun pour aborder le passé lointain.
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L’échelle des temps géologiques est un outil scientifique, mais aussi un vestige de l’histoire. Des mesures objectives de propriétés telles que la désintégration radioactive peuvent indiquer aux chercheurs la date de formation des couches rocheuses. Cependant, il appartient aux scientifiques, souvent en s’appuyant sur les travaux de leurs prédécesseurs, de décider comment décomposer les données en échelles de temps géologiques. L’une des questions les plus controversées en chronostratigraphie est la définition de notre propre époque.
«L’Holocène est une époque en quelque sorte arbitraire», a déclaré Gill. L’Holocène a débuté il y a environ 12 000 ans, lorsque la Terre a commencé à se réchauffer après la dernière période glaciaire. Mais la fin de cette période glaciaire, même si elle a coïncidé avec la transition vers une nouvelle époque, n’a pas plus d’importance géologique que les fins des périodes glaciaires précédentes, a ajouté Gill.
Aujourd’hui encore, les scientifiques continuent de nommer de nouvelles fenêtres temporelles, notamment l’âge Chibani, du nom de la préfecture japonaise où ont été découverts les sédiments définissant son âge. Nombre de scientifiques et d’autres soutiennent que l’impact humain récent sur la planète justifie la création d’une nouvelle époque, l’Anthropocène, tandis que d’autres affirment que le Capitalocène rend mieux compte des systèmes sociaux qui ont tant façonné la planète depuis la révolution industrielle.
Les calculs peuvent-ils se développer? Pour expliquer comment et pourquoi, abordons d’abord une autre question importante: qu’est-ce qu’un calcul?
Une roche est un ensemble de minéraux. Un minéral est un monocristal composé d’éléments tels que le silicium, l’oxygène et le carbone. Un minéral devient une roche lorsqu’il est composé de plusieurs cristaux, qu’il soit composé de nombreux minéraux différents ou de la même espèce.
Lorsque l’eau afflue à la surface de sources chaudes comme celles de Mammoth Hot Springs, dans le parc national de Yellowstone (illustrées ici), d’immenses formations de travertin se forment. Jim Pico, Service des parcs nationaux
Dans les grottes, les roches se forment parce que l’eau qui ruisselle le long des parois ou s’égoutte du plafond dépose des minéraux le long des parois ou du sol. Les roches des grottes sont généralement composées de minéraux tels que la calcite, l’aragonite, l’opale, la calcédoine, etc. Les roches formées par ces ruissellements sont appelées stalactites lorsqu’elles poussent du plafond et stalagmites lorsqu’elles poussent du sol.
Le Théâtre de Marionnettes du parc national des Grottes de Carlsbad abrite une vaste collection de stalactites et de colonnes de paille. Photo NPS/Peter Jones
Un type de roche appelé travertin pousse dans les sources où l’eau s’écoule du sous-sol vers la surface. On trouve souvent de grandes formations de travertin autour des sources chaudes, car l’eau chaude est plus riche en minéraux que l’eau froide. La célèbre source chaude de Mammoth Hot Spring, dans le parc national de Yellowstone, n’a qu’environ 8 000 ans, mais ses dépôts de travertin atteignent 73 mètres d’épaisseur et couvrent plus de 4 kilomètres carrés de territoire.
Certaines roches se forment lorsque des métaux dissous précipitent dans l’eau de mer ou l’eau douce. Ces nodules, comme les nodules de manganèse illustrés ici, se trouvent au fond de tous les océans. Niels Brenke, CeNak
L’eau contient également des métaux dissous qui peuvent se précipiter hors de l’eau de mer ou de l’eau douce pour former des roches. Ces roches sont appelées nodules. On trouve des nodules de manganèse, de fer, de cuivre, de nickel et de cobalt au fond de tous les océans. Ils se forment couche par couche, comme une perle. (Les perles sont techniquement des roches, bien qu’elles soient produites par les huîtres.) Chaque couche agrandit légèrement le nodule.
Les nodules de manganèse croissent très lentement, généralement moins d’un centimètre par million d’années. Du fait de leur lenteur, certains des plus gros nodules peuvent avoir 10 millions d’années. Les nodules métalliques se développent également en eau douce, généralement lorsque l’eau traverse les roches et laisse des dépôts de minéraux métalliques, comme le marbre de Moqui, dans le sud-ouest américain. Des nodules métalliques ont même été découverts sur Mars.
Des nodules métalliques comme ces grains sphériques microscopiques appelés « myrtilles » ont été découverts sur Mars. NASA
Les roches métamorphiques soumises à la chaleur, à la pression ou aux deux peuvent devenir plus résistantes (plus difficiles à briser) et plus lourdes. Les roches métamorphiques sont l’un des trois principaux types de roches ; les deux autres sont les roches ignées et les roches sédimentaires. Les minéraux de la roche d’origine sont transformés par la chaleur et la pression (parfois, de nouveaux minéraux se forment également). Les roches métamorphiques deviennent plus résistantes lorsque la chaleur et la pression permettent à leurs minéraux de se lier plus étroitement. De plus, la densité d’une roche peut augmenter si elle est soumise à une pression, ce qui permet de contenir la même quantité de matière dans un volume plus petit. «Cela donne une impression de poids à un morceau de roche métamorphique par rapport à un morceau de même taille de la roche d’origine», explique BlackEagle.
De minuscules cristaux découverts en Afrique du Sud contiennent la preuve d’un changement soudain à la surface de la planète il y a 3,8 milliards d’années.
Ces cristaux, chacun pas plus gros qu’un grain de sable, montrent qu’à cette époque, la croûte terrestre s’est fissurée et a commencé à bouger – un précurseur du processus connu sous le nom de tectonique des plaques.
Ces résultats donnent un aperçu de l’évolution de la Terre en tant que planète et peuvent aider à répondre aux questions sur les liens potentiels entre la tectonique des plaques et l’évolution de la vie, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Nadja Drabon, professeur de sciences de la Terre et des planètes à l’Université Harvard.
Aujourd’hui, les pièces du puzzle de la croûte terrestre flottent dans un océan de magma chaud et collant, dans le manteau terrestre, la couche intermédiaire de la Terre. Ces fragments de croûte se frottent les uns contre les autres, s’enfoncent les uns sous les autres dans des zones dites de subduction et se poussent mutuellement vers le haut, créant des montagnes et des dorsales océaniques, forgeant des volcans et provoquant des tremblements de terre qui secouent régulièrement la planète. L’enfoncement des plaques tectoniques produit également de nouvelles roches dans les zones de subduction, lesquelles interagissent avec l’atmosphère et absorbent le dioxyde de carbone. Ce processus rend l’atmosphère plus propice à la vie et maintient le climat plus stable.
Mais il n’en a pas toujours été ainsi. Lorsque la Terre était jeune et chaude, durant l’éon hadéen (il y a 4,6 à 4 milliards d’années), la planète était d’abord recouverte d’un océan de magma, puis, à mesure qu’elle refroidissait, d’une surface rocheuse solide.
Le moment exact où cette surface s’est fissurée et où ses éléments ont commencé à bouger fait l’objet de vifs débats. Certaines études estiment que la tectonique des plaques a débuté il y a seulement 800 millions d’années, tandis que d’autres suggèrent que le système a au moins 2 milliards d’années.
Cristal de zircon rouge-or. Shutterstock
Mais comme la planète recycle constamment sa croûte pour former un manteau, il n’existe quasiment aucune roche ancienne à sa surface pour trancher le débat. Avant cette étude, les roches vieilles de 2,5 à 4 milliards d’années ne représentaient que 5% des roches de la surface. Et aucune roche n’avait survécu plus de 4 milliards d’années.
Tout a changé en 2018, lorsque Drabon et ses collègues ont découvert des cristaux de zircon dans une formation de grès vert de la chaîne de roches vertes de Barberton, en Afrique du Sud. L’équipe a découvert 33 zircons dont l’âge variait de 4,1 à 3,3 milliards d’années.
Dans une nouvelle étude publiée le 21 avril 2025 dans la revue AGU Advances, l’équipe a analysé différents isotopes, ou versions d’éléments avec différents nombres de neutrons, dans des zircons anciens, ainsi que dans de nombreux zircons d’autres époques et lieux sur Terre.
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Dans les isotopes, les scientifiques ont trouvé des preuves d’une transition soudaine vers une tectonique des plaques primitive remontant à environ 3,8 milliards d’années. Cette découverte suggère qu’à cette époque, au moins en un point de la planète, une forme simple de subduction avait commencé. On ignore encore si ce phénomène s’est produit à l’échelle mondiale, et il est probable que le «moteur véritablement efficace de plaques en mouvement l’une contre l’autre» que l’on connaît aujourd’hui n’ait pas encore émergé.
L’analyse isotopique d’éléments tels que l’oxygène, le niobium et l’uranium a également montré que les roches de surface contenaient déjà de l’eau il y a 3,8 milliards d’années, ce qui suggère que les zircons étaient autrefois piégés dans la croûte océanique enfouie dans les fonds marins primordiaux. De plus, l’extrapolation à partir des échantillons les plus anciens, vieux de 4,1 milliards d’années, suggère que la planète possédait une croûte solide il y a au plus tard 4,2 milliards d’années.
Cela signifierait que la mer de magma terrestre n’aurait persisté que jusqu’à l’Hadéen supérieur. On pensait auparavant que la Terre était simplement recouverte d’un océan de magma jusqu’à il y a 3,6 milliards d’années. La nouvelle étude suggère que l’océan de lave en fusion terrestre a perduré au maximum quelques centaines de millions d’années avant la formation d’une croûte solide.
Alors, qu’est-ce qui a provoqué cette transition? Une théorie avance que la tectonique des plaques est apparue lorsque la Terre s’est suffisamment refroidie. Il est également possible que, comme une cuillère à dessert cassant le dessus croustillant d’une crème brûlée, d’énormes roches spatiales aient percuté la Terre et fracturé sa croûte. Une autre question intrigante est de savoir si la transition de la Terre vers la tectonique des plaques primitive a contribué à l’évolution de la vie.
Si les plus anciennes traces fossiles de vie sur Terre remontent à environ 3,5 milliards d’années, les signatures chimiques des processus biologiques, retrouvées dans les rapports isotopiques du carbone, sont encore plus anciennes. Certaines d’entre elles remontent à 3,8 milliards d’années, soit à peu près à la même époque que le début de la tectonique des plaques.
Une histoire de 150 000 ans du champ magnétique terrestre révèle les secrets du climat qui régnait lorsque les premiers humains ont quitté l’Afrique. Ces données éclairent le climat qu’ont connu les premiers humains lorsqu’ils ont quitté l’Afrique.
Un lac africain bordé d’arbres a révélé des données sur le champ magnétique terrestre au cours des 150 000 dernières années.
Une carotte de roche et de sédiments extraite du fond du lac Chala, un lac de cratère pittoresque à la frontière entre la Tanzanie et le Kenya, contient un enregistrement des fluctuations du champ magnétique terrestre. La roche recèle également de précieuses informations sur le climat des 150 000 dernières années, période de migration des humains modernes d’Afrique vers la péninsule arabique, puis vers l’Europe et l’Asie.
«Des efforts sont déployés pour comprendre les conditions qui ont poussé les humains à quitter l’Afrique et à peupler le reste de l’Eurasie », explique Anita Di Chiara, paléomagnétiste à l’Institut national italien de géophysique et de volcanologie de Rome. Mais pour utiliser les archives sédimentaires anciennes afin de reconstituer les climats passés, « nous avons besoin d’époques. Nous devons trouver un moyen de dater ces sédiments.»
C’est là qu’interviennent les variations du champ magnétique terrestre. Lorsque les roches se forment, elles enregistrent le champ magnétique grâce à de petits cristaux magnétiques qui s’alignent sur le champ à ce moment-là. La plupart de ces enregistrements rocheux proviennent de zones proches des pôles, où ces signaux sont plus forts.
Des scientifiques ont foré des carottes au fond du lac Chala (photo ci-dessus) pour mieux comprendre le climat de la Terre au cours des 150 000 dernières années. Jacek_Sopotnicki
Des scientifiques comme Di Chiara peuvent comparer les variations magnétiques des couches rocheuses d’un endroit, comme le lac Chala, à celles de couches du monde entier dont l’âge est déjà connu. Ils peuvent également utiliser des couches rocheuses issues d’événements connus pour calibrer les données. Par exemple, le noyau du lac Chala comprend une couche de cendres provenant du supervolcan Toba, entré en éruption en Indonésie il y a 74 000 ans.
Le lac Chala est un endroit privilégié pour recueillir ces données, a expliqué Di Chiara. Il s’agit d’un lac de cratère, alimenté par le ruissellement des falaises et des forêts environnantes, plutôt que par de grands ruisseaux ou rivières. Cela signifie que les couches du fond du lac ne sont pas remuées par des événements ponctuels comme des inondations. Au contraire, elles s’empilent soigneusement, saison après saison.
Les chercheurs ont découvert six excursions magnétiques – des fluctuations temporaires, parfois localisées, du champ magnétique – dans les archives géologiques vieilles de 150 000 ans, comme ils l’ont rapporté en avril dans la revue Geochemistry, Geophysics, Geosystems. L’une d’elles était une anomalie introuvable ailleurs dans les archives géologiques. De telles excursions pourraient être causées par une circulation chaotique dans le noyau interne de la Terre ou par des interactions entre le noyau interne solide et le noyau externe liquide.
L’excursion magnétique serait probablement passée inaperçue aux yeux des anciens habitants de l’Afrique de l’Est, mais aujourd’hui, les fluctuations du champ magnétique sont importantes. En effet, le champ magnétique protège la planète du vent solaire, un flux de particules chargées provenant du Soleil. Un champ plus faible entraîne davantage de perturbations des communications et des équipements électroniques dues à ces particules.
Les données historiques aideront également les chercheurs à prédire le comportement du champ magnétique.
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