Quel est l'âge de la Terre : Âge scientifique de la Terre

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ÂGE SCIENTIFIQUE DE LA TERRE

Avant d'analyser les arguments avancés par les « scientifiques » créationnistes en faveur d'une Terre très jeune, je résume brièvement ici les preuves qui ont convaincu les scientifiques que la Terre a entre 4,5 et 4,6 milliards d'années.

Il ne saurait y avoir aucun doute sur l'antiquité de la Terre ; les preuves sont abondantes, concluantes et accessibles à tous ceux qui souhaitent les examiner. Les meilleures preuves se trouvent dans le registre stratigraphique incomplet et complexe, mais précis, de la Terre — un registre qui a fait l'objet de près de deux siècles d'études. Lentement et avec soin, les géologues ont assemblé ce registre dans l'échelle de temps géologique généralisée présentée dans Figure 1. Cela a été réalisé en observant la séquence d'âge relatif des unités rocheuses dans une zone donnée et en déterminant, à partir des relations stratigraphiques, quelles unités rocheuses sont plus jeunes, lesquelles sont plus anciennes, et quels assemblages de fossiles sont contenus dans chaque unité. En utilisant les fossiles pour établir des corrélations d'une zone à l'autre, les géologues ont pu établir un ordre relatif mondial des formations rocheuses et diviser le registre rocheux et le temps géologique en les ères, périodes et époques présentées dans Figure 1. La dernière modification de l'échelle de temps géologique de Figure 1 a eu lieu dans les années 1930, avant que la datation radiométrique ne soit pleinement développée, lorsque l'Éocène oligocène a été inséré entre l'Éocène et le Miocène.

Même si les premiers stratigraphes pouvaient déterminer l'ordre relatif des unités rocheuses et des fossiles, ils ne pouvaient estimer que les durées de temps impliquées en observant les taux des processus géologiques actuels et en comparant les roches produites par ces processus avec celles préservées dans le registre stratigraphique. Avec le développement des méthodes modernes de datation radiométrique à la fin des années 1940 et 1950, il est devenu possible pour la première fois non seulement de mesurer les durées des ères, périodes et époques, mais aussi de vérifier l'ordre relatif de ces unités de temps géologiques. La datation radiométrique a confirmé que l'échelle de temps relative déterminée par les stratigraphes et les paléontologues (Figure 1) est absolument correcte, un résultat qui n'aurait pu être obtenu que si à la fois l'échelle de temps relative et les méthodes de datation radiométrique étaient correctes.

La richesse et la variété des fossiles dans les roches phanérozoïques ont permis aux géologues de décrypter de manière détaillée les 600 millions d'années environ de l'histoire de la Terre. Dans les roches précambriennes, en revanche, les fossiles sont rares ; ainsi, le registre géologique de cette partie importante de l'histoire de la Terre a été particulièrement difficile à décrypter. Néanmoins, la stratigraphie et la datation radiométrique des roches précambriennes ont clairement démontré que l'histoire de la Terre s'étend sur des milliards d'années dans le passé.

La datation radiométrique n'a pas été appliquée à quelques roches sélectionnées du registre géologique. Littéralement, des dizaines de milliers de mesures d'âges radiométriques sont documentées dans la littérature scientifique. Depuis le début de leurs opérations au début des années 1960, les laboratoires de géochronologie du U. S. Geological Survey à Menlo Park, en Californie, ont seuls produit plus de 20 000 âges K-Ar, Rb-Sr et ¹⁴C. Ajoutez à ce nombre les mesures d'âges effectuées par 50 à 100 autres laboratoires dans le monde, et il est facile de voir que le nombre d'âges radiométriques produits au cours des deux à trois dernières décennies et publiés dans la littérature scientifique doit facilement dépasser 100 000. Pris dans leur ensemble, ces données prouvent clairement que l'histoire de la Terre s'étend en arrière depuis le présent jusqu'à au moins 3,8 milliards d'années dans le passé.

Une question particulièrement fascinante concernant l'histoire de la Terre est « Quand la Terre a-t-elle commencé ? » La réponse à cette question a été fournie par la datation radiométrique et est maintenant connue à quelques pourcents près.

Trois approches fondamentales sont utilisées pour déterminer l'âge de la Terre. La première consiste à rechercher et dater les roches les plus anciennes exposées à la surface de la Terre. Ces roches les plus anciennes sont des roches métamorphiques ayant des histoires antérieures mais désormais effacées, de sorte que les âges obtenus de cette manière sont des âges minimaux pour la Terre. Étant donné que la Terre s'est formée en tant que partie du Système solaire, une deuxième approche consiste à dater des objets extraterrestres, c'est-à-dire des météorites et des échantillons provenant de la Lune. De nombreux de ces échantillons n'ont pas eu d'histoires aussi intenses ni aussi complexes que les roches terrestres les plus anciennes, et ils enregistrent couramment des événements plus proches ou égaux au moment de la formation des planètes. La troisième approche, et celle que les scientifiques pensent donner l'âge le plus précis pour la Terre, les autres planètes et le Système solaire, consiste à déterminer les âges modèles du plomb pour la Terre, la Lune et les météorites. Cette méthode est censée représenter le moment où les isotopes du plomb ont été pour la dernière fois distribués de manière homogène dans tout le Système solaire et, par conséquent, le moment où les corps planétaires ont été séparés en systèmes chimiques discrets. Les résultats de ces méthodes indiquent que la Terre, les météorites, la Lune et, par déduction, l'ensemble du Système solaire ont entre 4,5 et 4,6 milliards d'années.

Avant d'examiner brièvement les preuves concernant l'âge de la Terre, j'insiste sur le fait que la formation du Système solaire et de la Terre n'a pas été un événement instantané, mais s'est déroulée sur une période finie en raison de processus mis en mouvement lorsque l'univers s'est formé. Il est donc plus correct de parler d'intervalles de formation plutôt que d'âges discrets pour le Système solaire et la Terre. Les preuves actuelles indiquent, cependant, que ces intervalles étaient relativement courts (100-200 millions d'années) par rapport à la durée écoulée depuis la formation du Système solaire, il y a environ 4 à 5 milliards d'années. Ainsi, les âges de la Terre, de la Lune et des météorites mesurés par différentes méthodes représentent des événements légèrement différents, bien que les différences entre ces âges soient généralement faibles, et donc, aux fins de ce chapitre, ils sont ici traités comme un seul événement.

LES ROCHES LES PLUS ANCIENNES DE LA TERRE

Tous les continents majeurs contiennent un noyau de roches très anciennes bordé de roches plus jeunes. Ces noyaux, appelés boucliers précambriens, sont tout ce qui reste de la croûte la plus ancienne de la Terre. Les roches de ces boucliers sont principalement métamorphiques, ce qui signifie qu'elles ont été transformées de roches antérieures en leur forme actuelle par une grande chaleur et une pression sous la surface ; la plupart ont subi plus d'une métamorphose et ont eu des histoires très complexes. Un événement métamorphique peut modifier l'âge radiométrique apparent d'une roche. Le plus souvent, l'événement provoque une perte partielle ou totale de l'isotope fille radiogénique, entraînant un âge réduit. Toutes les métamorphoses n'effacent pas complètement l'enregistrement radiométrique de l'âge d'une roche, bien que beaucoup le fassent. Ainsi, les âges radiométriques obtenus à partir de ces roches les plus anciennes ne sont pas nécessairement l'âge du premier événement dans l'histoire de la roche. De plus, beaucoup des roches les plus anciennes datées intrusent des roches encore plus anciennes mais indatables. Dans tous les cas, les âges mesurés ne fournissent qu'un âge minimum pour la Terre.

Jusqu'à présent, des roches plus anciennes que 3,0 milliards d'années ont été découvertes en Amérique du Nord, en Inde, en Russie, au Groenland, en Australie et en Afrique. Les roches les plus anciennes d'Amérique du Nord, découvertes au Minnesota, donnent un âge discordant U-Pb de 3,56 milliards d'années (Figure 5). Les roches les plus anciennes découvertes à ce jour sur Terre se trouvent au Groenland, en Afrique du Sud et en Inde. Les échantillons du Groenland ont fait l'objet d'études particulièrement approfondies. Les Gneiss d'Amitsoq, dans le Groenland occidental, par exemple, ont été datés par cinq méthodes différentes (Tableau 6) ; compte tenu des incertitudes analytiques, les âges sont identiques et indiquent que ces roches ont environ 3,7 milliards d'années.

Des échantillons de roches entières provenant des gneiss de la rivière Sand dans la vallée du Limpopo, en Afrique du Sud, ont été datés par la méthode de l'isochrone Rb-Sr à 3,79 ± 0,06 milliard d'années (15). Ces échantillons proviennent de roches contenant des inclusions de roches encore plus anciennes mais non datables pour le moment. Récemment, Basu et d'autres (16) ont rapporté un âge par isochrone Sm-Nd de neuf échantillons de 3,78 ± 0,11 milliard d'années pour des roches dans l'Inde orientale.

Les études des roches les plus anciennes des boucliers précambriens montrent que la Terre est plus âgée que 3,8 milliards d'années. La géologie de ces roches les plus anciennes indique également qu'il y a eu une période substantielle de l'histoire de la Terre avant 3,8 milliards d'années pour laquelle aucun registre géologique datable n'existe actuellement. Il existe plusieurs raisons possibles à l'absence apparente de ce registre le plus ancien. Une raison est que durant cette période de l'histoire de la Terre, non seulement la première croûte continentale se formait, mais elle était également recyclée et régénérée vigoureusement. Une seconde raison est que la Lune et, par déduction, la Terre, ont été soumises à un bombardement intense par de grandes météorites depuis leur formation initiale jusqu'à environ 3,8 milliards d'années ; ce bombardement s'est produit parce que la Terre balayait encore du matériel sur son orbite. Une troisième raison peut être que le registre de l'histoire ancienne de la Terre existe quelque part mais n'a tout simplement pas encore été trouvé. La raison correcte de l'absence de données peut très bien être une combinaison de ce qui précède. Quelles que soient les raisons, si nous voulons en savoir plus sur l'histoire de la Terre avant 3,8 milliards d'années, nous devons examiner les preuves obtenues à partir d'autres sources plus anciennes, en particulier les météorites et la Lune.

ÂGES DES MÉTÉORITES

Il existe deux types de météorites de base, les stéatites et les ferreuses ; les autres types sont intermédiaires en composition entre ces deux-là. Les stéatites sont composées principalement des minéraux silicatés olivine et pyroxène, tandis que les ferreuses sont constituées principalement d'un alliage nickel-fer. Les stéatites contiennent couramment de petites quantités de nickel-fer, et de nombreuses ferreuses incluent de petites quantités de minéraux silicatés. Autrefois considérées comme les restes d'une planète brisée, les météorites ont probablement originaire de quelque 20 à 70 corps parents de la taille d'astéroïdes importants. Certaines météorites sont des échantillons des corps parents qui apparemment étaient assez grands pour subir une fusion partielle et une différenciation afin de produire différents types de roches. D'autres, principalement les stéatites appelées chondrites, semblent représenter des roches essentiellement inchangées depuis la condensation à partir du nébuleux solaire. Les orbites des météorites indiquent qu'elles sont des parties du Système solaire, probablement des échantillons d'astéroïdes, et donc que leur âge est pertinent pour l'âge de la Terre.

Comme la plupart des choses dans la nature, les météorites ne sont pas des objets simples. Cela est particulièrement vrai pour celles qui ont subi une différenciation, un chauffage et des collisions avec d'autres corps dans l'espace. Pour déterminer l'âge du Système solaire et de la Terre, nous devons rechercher les météorites les plus anciennes et les moins perturbées.

Les âges K-Ar des météorites pierreuses varient d'environ 400 millions d'années à près de 5 milliards d'années, avec une forte concentration entre 4,4 et 4,6 milliards d'années. Les âges plus jeunes reflètent des événements de chauffage et de collision, auxquels la méthode K-Ar est particulièrement sensible, tandis que les âges plus anciens enregistrent des événements proches ou égaux au moment de la formation des météorites. De nombreuses météorites ont maintenant été datées par la méthode de spectre d'âge ⁴⁰Ar/³⁹Ar, qui révèle que de nombreuses météorites ont été chauffées après leur formation. Les phases métalliques dans les météorites de fer ne peuvent pas être datées de manière fiable par la méthode K-Ar en raison de leur teneur en potassium quasi négligeable et des effets des rayons cosmiques. Cependant, des inclusions silicatées dans plusieurs météorites de fer ont été datées par la méthode K-Ar à 4,5 ± 0,2 milliard d'années (19).

Quelques-unes des âges les plus précis des météorites ont été obtenus par la méthode de l'isochrone Rb-Sr. Tableau 7 liste certains de ces âges, issus du résumé de Faure (49). Figure 3 trace l'isochrone pour la météorite Juvinas. Certaines météorites de fer contenant de petites inclusions silicatées ont également été datées par la méthode de l'isochrone Rb-Sr ; les résultats indiquent que les météorites de fer les moins perturbées sont du même âge (4,6 milliards d'années) que les météorites pierreuses les moins perturbées.

Les météorites ont également été datées par la méthode de l'isochrone Sm-Nd. Jacobsen et Wasserburg (69), par exemple, ont montré que 10 chondrites et l'achondrite Juvinas se situent tous sur une isochrone de 4,60 milliards d'années.

Les résultats de la datation radiométrique sur les météorites indiquent clairement que ces objets se sont formés il y a environ 4,6 milliards d'années. Étant donné que les considérations astrophysiques exigent que la formation des planètes et des météorites par condensation à partir du nébuleux solaire ait été essentiellement simultanée, nous pouvons inférer avec une certitude considérable que l'âge des météorites les plus primitives est également l'âge de formation de la Terre. Même si nous souhaitions contester cette inférence, nous serions toujours contraints de conclure que les météorites, qui doivent au moins post-dater la formation du Système solaire et de l'univers, ont au moins 4,6 milliards d'années.

ÂGES DES ROCHES LUNAIRES

Les missions Apollo ont, pour la première fois, offert aux scientifiques l'excitante opportunité d'étudier des échantillons provenant d'une autre planète. Bien que tous les échantillons fournissent des informations importantes sur l'histoire de la Lune, pour les données concernant l'âge de la formation de la Lune, nous devons à nouveau nous tourner vers les roches les plus anciennes.

La surface de la Lune peut être divisée en les hauts plateaux lunaires et les maria lunaires. Les hauts plateaux sont des zones montagneuses qui conservent encore certains aspects de la morphologie d'impact originale de la Lune la plus ancienne. Les maria, ou « mers », sont des zones de plaines plus jeunes qui ont été inondées par du lave après l'impact de corps de la taille d'astéroïdes. Les missions Apollo ont ramené des échantillons à la fois des hauts plateaux et des maria.

En raison de l'impact sévère de l'histoire précoce de la Lune et du chauffage et de la métamorphose subséquents des échantillons lunaires, la méthode K-Ar conventionnelle n'est pas particulièrement utile dans l'étude de la formation des roches lunaires, car elle tend à dater les derniers événements de chauffage et d'impact plutôt que les âges originaux des roches. Les âges des roches lunaires sont principalement connus grâce à la spectrométrie d'âge ⁴⁰Ar/³⁹Ar et à la datation par isochrone Rb-Sr ; le tableau 8 liste certains de ces âges. Comme on peut le voir dans ce tableau, les roches provenant de chaque site d'atterrissage donnent des âges similaires par les deux méthodes ; cet accord ne peut être qu'une simple coïncidence mais doit refléter les âges réels des roches dans les incertitudes analytiques. Le tableau 8, cependant, ne liste que les données obtenues avant 1974 ; depuis cette époque, des roches plus anciennes, provenant des hauts plateaux lunaires, ont été analysées.

De nombreux âges spectraux ⁴⁰Ar/³⁹Ar de roches des hautes terres se situent entre environ 4,0 et 4,5 milliards d'années. Cependant, les âges les plus anciens ont été mesurés par la méthode de l'isochrone Rb/Sr sur des échantillons provenant du site Apollo 17. Ceux-ci incluent des âges d'isochrones minéraux de 4,55 ± 0,1, 4,60 ± 0,1 et 4,43 ± 0,05 milliards d'années pour trois types de roches différents. De plus, des analyses spectrales ⁴⁰Ar/³⁹Ar du site Apollo 16 ont maintenant montré deux roches avec des âges de 4,47 et 4,42 milliards d'années (voir résumé dans 75), et des âges d'isochrone Sm-Nd de 4,23 ± 0,05 et 4,34 ± 0,05 milliards d'années ont été déterminés pour deux échantillons Apollo 17 (23).

Les centaines d'âges radiométriques des roches lunaires montrent clairement que la formation initiale de la Lune remonte à 4,5 à 4,6 milliards d'années. Il existe, il est vrai, certaines incertitudes concernant la chronologie exacte et les événements qui ont conduit à la Lune que nous voyons aujourd'hui, mais il y a peu de doute quant à la date de formation de la Lune ou à celle des principaux événements volcaniques qui ont produit les roches magmatiques sur les différents sites Apollo.

MODÈLE DE L'ÂGE PRÉCÉDEUR DES MÉTÉORITES ET DE LA TERRE

L'âge généralement accepté de la Terre repose sur un modèle simple mais élégant pour l'évolution des isotopes du plomb. Ce modèle a été développé indépendamment par Houtermans (65) et Holmes (63), et appliqué pour la première fois aux météorites et à la Terre par Clair Patterson, actuellement à l'Institut de technologie du Californie, en 1953. Dans son article classique, Patterson (104) a raisonné que si la composition isotopique du Pb était uniforme dans la nébuleuse solaire et, par conséquent, uniforme dans les corps planétaires et les météorites au moment de leur formation, et si ces corps contenaient des quantités différentes d'uranium, alors la composition isotopique du Pb de ces corps devrait tomber sur une droite isochrone lorsque le rapport ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb est tracé en fonction du rapport ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb (Figure 8). L'extrémité inférieure de l'isochrone dans Figure 8 représente la composition isotopique du Pb dans une phase de météorites de fer (troilite, ou sulfure de fer) qui ne contient pas d'uranium ; ce point représente la composition isotopique initiale du Pb du Système solaire.

Figure 8: Isochron des isotopes du plomb météoritique montrant que l'âge des météorites et de la Terre est d'environ 4,55 milliards d'années. Après Murthy et Patterson (98) et York et Farquhart (136).

Les compositions isotopiques du plomb des météorites de fer et de pierre tombent sur une isochrone d'un âge de 4,55 milliards d'années (Figure 8). Notez que cette méthode, comme les autres méthodes d'isochrone, est auto-vérificatrice. La Terre moderne, représentée par les compositions isotopiques du plomb de certains minéraux très jeunes ne contenant pas d'uranium, tombe également à proximité de l'isochrone météoritique⁹, un résultat que nous nous attendrions à observer si la Terre et les météorites se sont formées simultanément. Les rapports dans les roches lunaires ont des valeurs beaucoup plus élevées que ceux dans les roches terrestres et les météorites ; ils tombent hors du champ de Figure 8, mais ils se situent très près de l'extension de l'isochrone météoritique et indiquent donc un âge similaire.

Si la Terre, la Lune et les météorites n'étaient pas génétiquement liées et n'avaient pas la même âge, il n'y aurait aucune raison pour que leurs compositions isotopiques en plomb (Pb) suivent la même isochrone. C'est une preuve convaincante que les corps planétaires, y compris la Terre, se sont tous formés il y a environ 4,55 milliards d'années. Notez que l'estimation originale de l'âge de la Terre par Patterson (104) n'a guère changé au cours des trois dernières décennies. Dans une réévaluation récente, Tera (125) conclut que l'âge de la Terre est d'environ 4,54 milliards d'années. Tera résume également plusieurs autres modèles de plomb pour l'âge de la Terre ; ils donnent tous des résultats dans la fourchette de 4,43 à 4,59 milliards d'années. Ainsi, bien qu'il subsiste encore quelques débats sur l'âge exact de la Terre et du Système solaire, les scientifiques ne discutent que des premiers dix-milliardième ou deux dix-milliardièmes d'année. L'âge de la Terre est connu avec une précision d'environ une partie sur 45, soit environ deux pour cent.

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⁹ Bien que les échantillons terrestres modernes se situent près de l'isochrone météoritique, beaucoup ne tombent pas exactement dessus, apparemment parce que beaucoup ont eu des histoires complexes (à plusieurs étapes) (par exemple, 123).