De la cro?te au manteau et vice-versa

Pour étudier le cycle primitif (et le cycle des roches), les chercheurs ont analysé des basaltes provenant de la zone des dorsales médio-océaniques, appelés MORB (Mid-ocean ridge basalts). ? ces endroits, les cro?tes océaniques s'écartent les unes des autres, de sorte que du matériel volcanique relativement jeune s'échappe du manteau supérieur de la Terre à la jonction. Ils ont comparé la teneur en uranium des MORBs avec celle des basaltes provenant d'?les océaniques comme Hawa? ou les Canaries. Ces ?les se trouvent au milieu de plaques et ont probablement été formées par des colonnes de magma, les panaches du manteau. Celles-ci font remonter à la surface des matériaux provenant de la zone frontière entre le noyau et le manteau terrestre. Ce matériau est beaucoup plus ancien que celui des MORBs et devrait avoir entre un et deux milliards d'années.

A titre de comparaison, les chercheurs ont en outre déterminé les rapports des isotopes de l'uranium de météorites constituées du même matériau de base que la Terre et présentant donc la composition initiale en uranium de la cro?te.

L'uranium lourd reste en haut

Le rapport isotopique entre l'uranium 238 et l'uranium 235 était nettement plus élevé dans les MORB que dans les basaltes insulaires. Le rapport était également plus élevé que celui des météorites. Selon Andersen, cela indique que l'uranium contenu dans les MORBs a été en contact avec l'oxygène aussi bien sur terre que dans l'eau et qu'il s'est donc modifié à une époque où l'atmosphère et l'eau étaient toutes deux alimentées en gaz. Ce n'est qu'ensuite que la cro?te océanique, qui avait absorbé l'uranium modifié, a été attirée dans le manteau supérieur par subduction. La convection, c'est-à-dire le mouvement en forme de rouleau dans le manteau supérieur, a finalement transporté ce matériau en plaque dans la zone des dorsales médio-océaniques et l'a ramené à la surface sous forme de MORB.

Le co-auteur de l'étude, Heye Freymuth de l'université de Bristol, explique la proportion plus élevée d'uranium 238 dans les MORB comme suit : "Les différences dans le rapport isotopique se forment surtout lorsque l'uranium peut être présent dans les deux degrés d'oxydation, c'est-à-dire sous forme d'uranium(IV) et d'uranium(VI). Cela n'a toutefois pas été possible après la première augmentation de la teneur en oxygène à la surface de la Terre il y a environ 2,4 milliards d'années, car les océans n'étaient pas encore suffisamment approvisionnés en oxygène".

Par rapport aux conditions d'il y a 600 millions d'années lors de la deuxième augmentation marquée de la teneur en oxygène, ce qui a surtout changé, c'est le fait que les modifications de la cro?te océanique au fond de l'océan dans des conditions oxydées ont conduit à l'incorporation préférentielle de l'uranium-238, tandis que l'uranium-235, plus léger, s'est accumulé dans l'eau de mer.

La cro?te océanique a certes continué à être transportée dans le manteau terrestre, mais - en raison de l'oxydation des océans - pour la première fois avec un rapport isotopique de l'uranium différent de celui du manteau terrestre.

Les anciens basaltes insulaires

Il en va autrement des basaltes insulaires. Leur rapport uranium 238/uranium 235 correspondait à celui des météorites de référence. Les chercheurs expliquent cela par le fait que l'ancienne cro?te océanique, qui n'avait pas ou peu de contact avec l'oxygène, s'est retrouvée dans le manteau inférieur au fil du temps. Les mesures des isotopes de l'uranium sur les basaltes insulaires ont révélé que ces roches ne pouvaient pas provenir de jeunes cro?tes océaniques subductées. Les sources de ces roches volcaniques doivent donc être plus anciennes que 600 millions d'années. Les modèles précédents estimaient l'?ge de ces sources dans le manteau terrestre profond entre 1,8 et 2,4 milliards d'années. En mesurant les isotopes de l'uranium dans les basaltes insulaires, l'équipe de recherche a pu, pour la première fois, prouver cet ?ge par des données.

Débat br?lant sur les premiers temps de la Terre

L'étude sur le cycle de l'uranium, et donc de la cro?te, apporte de nouveaux éléments au débat sur la manière dont le visage de la Terre a changé au cours des milliards d'années. "Pour les scientifiques de la Terre, c'est l'une des questions de recherche les plus br?lantes du moment", souligne Andersen. Les spécialistes débattent de manière particulièrement animée de l'évolution de la concentration en oxygène dans l'atmosphère. Car de nombreux processus d'altération géologiques y sont liés, y compris le destin de l'uranium.

"Un résultat important de cette étude est la manière dont les conditions changeantes à la surface de la Terre et l'augmentation de l'oxygène dans l'atmosphère influencent la composition de la Terre profonde. Nos résultats suggèrent qu'en raison des changements survenus au cours des 600 millions d'années passées, l'uranium a été mobilisé depuis la surface, transporté vers l'intérieur de la Terre et disséminé dans le manteau", explique Andersen.

Selon lui, la présente étude est avant tout une recherche fondamentale. Les signatures isotopiques de l'uranium trouvées pourraient toutefois être utilisées à des fins économiques pour découvrir des gisements d'uranium inconnus. Le domaine de recherche est toutefois encore très jeune et nécessite des études supplémentaires. Le premier travail scientifique de fond sur le rapport isotopique U-238/U-235 n'a été publié qu'en 2007. Celui-ci a mis en évidence le potentiel des isotopes de l'uranium. L'étude d'Andersen et de ses collègues est la première à utiliser le rapport isotopique de l'uranium pour l'étude des roches magmatiques et à l'appliquer aux processus de recyclage dans les profondeurs de la Terre.