L’AGE DE LA TERRE ET SON GRADIENT THERMIQUE

Article paru dans le Bulletin du G.E.S.T., N° 158, novembre 2009


I.     IMPORTANCE DES RADIOELEMENTS EN GEOLOGIE

Des articles précédents, on peut conclure que les radioéléments jouent un rôle important dans les phénomènes géologiques et ce par trois caractéristiques de la radioactivité :

a)    Le dégagement constant d’énergie d’origine nucléaire
Le rayonnement radioactif émis par les nucléides interagit avec la matière environnante en se transformant en définitive en chaleur. Ce phénomène intervient dans l’évolution et le bilan thermique de notre planète et les problèmes associés, tels que le métamorphisme régional, les mouvements orogéniques et le volcanisme.

b)    L’immuabilité de la constante radioactive
La demi-vie d’un radionucléide est une caractéristique propre à celui-ci et elle reste constante par rapport au temps et aux conditions extérieures. Cette propriété permet de dater de manière absolue et relativement précise les phénomènes géologiques.

c)    La grande sensibilité des méthodes de détection de la radioactivité
Celle-ci permet de suivre la migration et la répartition, pratiquement à l’échelle atomique, des radioéléments dans les minéraux et les roches.

En première conclusion, et sur la base de ce que nous avons vu sur les différents éléments radioactifs naturels, on peut dire qu’aux points de vue géologique et géochimique, l’évolution et la répartition de tous les radioéléments appartenant aux trois familles radioactives naturelles dépendent uniquement de l’évolution et de la répartition de l’uranium et du thorium.
A part le potassium, les autres éléments radioactifs naturels sont trop rares et trop peu énergétiques pour jouer un rôle majeur.

II. L’AGE DE LA TERRE

Si la planète dégage de la chaleur, elle doit nécessairement se refroidir. Aussi, il est possible, connaissant les lois qui régissent son refroidissement de déterminer son âge et donc l’époque de sa formation.

Bien évidemment, avant de songer à calculer l’âge de notre planète à partir de sa chaleur émise, de nombreuses tentatives ont été faites depuis l’Antiquité. Ainsi, pour ARISTOTE (384-322 av. J.-C.) la Terre est éternelle et garde indéfiniment son identité, car les modifications de sa surface se compensent en moyenne. Pour l’école stoïcienne (IIIème – IIème s. av. J.-C., Athènes), la Terre, au contraire, subit une succession de créations et de destructions, où à chaque cycle, les mêmes êtres sont créés et les mêmes événements se reproduisent. Équilibre perpétuel chez ARISTOTE, répétitions cycliques chez les Stoïciens, dans les deux cas il y a conservation du Monde.

Au Ier siècle après J.-C., l’historien juif, Flavius JOSEPHE (37-100 ap J.-C.) tente une première compilation chronologique sur la base de l’âge et des générations des personnages de l’Ancien Testament, pour retrouver la date de la création. Il est suivi par Théophile d’ANTIOCHE (115-181) et Eusèbe de CESAREE (265-339). Ils l’estiment à 5.500 ans avant la naissance du Christ.

Alphonse DE VIGNOLE (1649-1744) relève, au cours des XVIème et XVIIIème siècles, plus de deux cents calculs différents, s’échelonnant de 3.483 à 6.984 ans depuis la Création jusqu’à la naissance du Christ. Celui qui sera imposé par l’église est dû à l’archevêque James USSHER (1581-1656), qui affirme que la Création eut lieu au début de la nuit précédant le 23 octobre de l’an 4.004 av. J.-C. D’autre personnalités tels Christophe COLOMB (° 1450 – † 1506), MERCATOR (° 1512 – † 1594), Johannes KEPLER (° 1571 – † 1630), Isaac NEWTON (° 1642 – † 1727) feront chacun leur proposition. Ce seront toujours des chronologies courtes qui englobent toute l’histoire de la Terre, formation des montagnes, empilement des couches géologiques, érosion, sans pour cela poser problème. La formation de notre globe est scandée par des événements brefs et violents dont le Déluge est le principal. Cette conception donnera naissance au catastrophisme dont nous parlerons plus loin.

Les approches plus sérieuses verront le jour vers 1660, lorsque Niels STENON (° 1638 – † 1680) reconnaît au Danemark la continuité et l’homogénéité des niveaux de craie sur de grandes régions, et admet qu’elles représentent l’accumulation de sédiments pendant une certaine durée de temps, chaque niveau pouvant définir une unité de temps.

En 1721, Henri GAUTIER (° 1660 – † 1737) essaye de dater l’âge du globe en estimant le temps d’érosion des reliefs grâce à la mesure de la turbidité des fleuves. 35.000 ans suffisent pour niveler complètement un continent. Mais lorsque l’on reprend ses mesures et la loi qu’il établit, on trouve des durées bien plus considérables

D’autres géologues, se basant sur les taux de sédimentation ou d’érosion, tels que John TUBERVILLE-NEEDHAM (° 1713 – † 1781), Pierre-Bernard PALASSOU (° 1745 – † 1830) ou Jean-Louis Giraud SOULAVIE (° 1752 – † 1813) puis John PHILLIPS (° 1800 – † 1874), obtiennent des durées atteignant plusieurs millions d’années pour la mise en place de ces phénomènes géologiques.

Encore au début du XXème siècle, Grove Karl GILBERT (° 1843 – † 1918) fait la corrélation entre les couches de quelques décimètres dans les formations de craie des grandes plaines du Nordeste au Brésil, et un cycle terrestre autour du soleil (cycle de précession). Delà, il exprime le phénomène en années et définit une unité, le « gilbert », correspondant à 22.000 ans. Mais les discordances et les érosions sont trop fréquentes pour que cette unité ait valeur générale.

L’un des premier à vouloir déterminer l’âge de la Terre d’une manière scientifique, à partir de sa chaleur émise, est Georges Louis LECLERC, comte de BUFFON (° Montbard, 1707 – † Paris, 1788). En plus d’être intendant du Jardin des Plantes à Paris, BUFFON possède dans les environs de Montbard des forges. Esprit curieux, il fait tirer de ses forges du fer aussi pur que possible et en fait confectionner des sphères de tailles différentes. Il les chauffe à blanc et les laisse refroidir en mesurant le temps nécessaire pour qu’elles atteignent la température de la cave, soit celle de la Terre. Il en tire une loi qui relie le temps de refroidissement d’une sphère à sa taille. Afin de peaufiner son expérience, il utilise d’autres matières comme le marbre ou l’argile. Cette loi, connaissant le diamètre de la Terre, lui permet de calculer le temps que cette dernière aurait mis pour se refroidir depuis sa formation : il arrive à la conclusion, en partant de l’hypothèse que le globe terrestre était en fusion au départ, qu’il a fallu 2.905 ans pour que la consolidation atteigne le centre de la planète, 33.911 ans pour qu’il soit possible de la toucher et 74.047 ans pour qu’elle acquiert sa température actuelle. Ce résultat n’empêche pas de choquer les âmes bien pensantes de l’époque pour qui la création de la Terre, correspond au calcul de l’archevêque USSHER. Cependant, BUFFON juge lui-même la durée trouvée bien trop courte au regard de celle nécessaire pour expliquer les dépôts des sédiments et du temps pour les transformer en roches sédimentaires. En effet, il détermine la quantité de sédiments s’accumulant dans une mare de sa propriété de Montbard et établit un taux de sédimentation. De plus, il mesure l’épaisseur d’une formation sédimentaire le long des côtes normandes et il en déduit qu’il fallut plusieurs dizaines de milliers d’années (dans ses notes, il écrit de l’ordre de dizaine de millions d’années) pour obtenir un tel dépôt. Tout comme GAUTIER, on constate une certaine retenue ou « peur » des dates longues.

Un autre savant à se lancer dans l’aventure est William THOMSON, mieux connu sous le nom de Lord KELVIN of Largs (° 26-06-1824, Belfast – † 17-12-1907, Strathclyde, Ecosse). Il est à la base d’un débat qui secoua la communauté des géologues durant plus de trente ans.
Inventeur de la seconde loi de la thermodynamique et de l’échelle thermique portant son nom, il s’est penché également sur le calcul de l’âge de la Terre. Il veut soumettre les processus géologiques aux lois inéluctables de sa discipline, la physique. De ce fait, il s’oppose à la conception dominante parmi les géologues. Depuis James HUTTON (° 1726, Edimbourg – † 1797, id), géologue écossais, la Terre ne présente pas plus « de vestiges d’un début que de perspectives d’une fin ». KELVIN nie l’éternité de notre planète, pour lui, elle a un début et elle aura une fin.
Ce sont ses études sur la conduction thermique, qui, vers les années 1850, lui permirent d’avancer que la Terre s’était formée il y 100 millions d’années. Cependant en 1862, d’autres calculs l’amènent à revoir son estimation et à agrandir sa marge d’erreur qu’il situe entre 20 et 400 Ma, au grand dam de sir Charles LYELL (° 1797, Kinordy, Ecosse – † 1875, Londres) et de Charles DARWIN (° 1809, Shrewsbury – † 1882, Down, Kent) qui considère Lord KELVIN comme un « spectre odieux ». En effet, DARWIN estime, en 1859, à 300 millions d’années le temps mis par la mer pour creuser la vallée de Weald dans le sud de l’Angleterre (il extrapole le taux d’érosion actuel). Cette durée lui semble compatible avec l’évolution biologique et les lents processus de la sélection naturelle.

Comment Lord KELVIN est-il arrivé à ce résultat ? Il fit le calcul du temps nécessaire au refroidissement de la Terre entre son état initial et son état actuel. Il supposa que la chaleur de la Terre provenait de la contraction gravitationnelle et un peu du Soleil. Puis, il détermina la conduction thermique de la Terre, sa capacité calorifique et sa chaleur latente de fusion. Selon la seconde loi de la thermodynamique, le refroidissement de la Terre aurait été régulier, et aucune énergie n’aurait été apportée à celle-ci depuis sa condensation. Hypothèse fausse, bien entendu qui malgré un raisonnement exact entraîna une erreur d’estimation de près de 5.000%.
En utilisant la théorie du mathématicien Joseph FOURIER (° 1768, Auxerre – † 1830, Paris) sur la conduction thermique, il détermina l’évolution de la répartition des températures de la Terre. Il améliora ainsi son calcul et conclut que la Terre avait entre 20 et 400 millions d’années.

Nous sommes à une époque où la conception de l’actualisme l’emporte, en postulant que les phénomènes anciens obéissent à des lois de même nature et de même intensité que les phénomènes actuels. Ce principe des causes première s’opposera au catastrophisme pour lequel les phénomènes passés ont eu, soit au début des temps géologiques, soit périodiquement, une plus grande ampleur. En dépit des lois de conduction de la chaleur établies par FOURIER, les températures mesurées dans les puits de mines sont audacieusement extrapolées pour donner une valeur de près de 200.000° C au centre de notre globe. La Terre apparaît comme une sphère constituée d’un océan magmatique sur lequel surnage une croûte solide et mince d’une cinquantaine de kilomètres d’épaisseur. KELVIN démontrera l’absurdité de cette vue, en 1860, et, à contrario, déduira que la Terre est un solide « aussi rigide que l’acier ».

Vers 1880, les premières mesures précises de conductivité thermique des roches sont réalisées par KRIEG et BARUS qui les amènent à une chronologie plus courte. Ils ramènent l’âge de la Terre à 25 millions d’années. Lord KELVIN s’y rallie. Sir LYELL n’est pas convaincu. Pour lui la Terre est nettement plus vieille. Il invoque la création d’énergie à l’intérieur du globe grâce à des réactions chimiques. Malgré cette intuition géniale, Lord KELVIN dont la notoriété dans le monde scientifique fait l’unanimité n’en démord pas.

Une autre méthode d’estimation de l’âge de la Terre est définie en 1899 par John JOLY (° 1857 – † 1933). Il se base sur l’hypothèse que la salinité de l’eau de mer a été acquise de manière constante, au cours des temps, par l’apport fluviatile. L’idée n’est pas neuve. Elle a été avancée par Edmond HALLEY (° 1656 – † 1743) en 1715. L’augmentation régulière de la salure des océans par l’apport des sels des fleuves permet par extrapolation de trouver l’âge de la planète. Malheureusement, JOLY n’annonce aucun chiffre.

Il faudra attendre la découverte de la radioactivité de l’uranium, en 1896, par Henri BECQUEREL (° 1852, Paris – † 1908, Le Croisic), pour que la théorie de Lord KELVIN batte de l’aile. Cette découverte, et par la suite la mise en évidence par Pierre et Marie CURIE de la décroissante radioactive avec émission de chaleur eurent des conséquences énormes sur le bilan énergétique de la planète.

En effet, la seule condensation initiale du gobe ne peut plus expliquer le dégagement thermique, il faut tenir compte des désintégrations atomiques qui chaque jour apportent leur lot de chaleur. Grâce à cette nouvelle discipline, qu’est la physique nucléaire, la radioactivité permet de déterminer l’âge réel de la Terre et de l’Univers. Les physiciens et les astronomes sont convaincus que l’existence de radionucléides remet les calculs de Lord KELVIN en cause. Plusieurs méthodes de datation seront élaborées au cours du XXème siècle.

Ces convictions sont confortées par des mesures expérimentales faites dans des milieux naturels par les physiciens allemands Johann Philipp Ludwig ELSTER (° 1854, Blankenburg – † 1920, Wolfenbüttel) et Hans Friedrich GEITEL (° 1855, Brunswick – † 1923, Wolfenbüttel) de 1900 à 1905. Ils détectent systématiquement des traces de radioactivité dans les sols et les eaux provenant principalement du radium et de son émanation, le radon.

Ainsi, dès 1906, Ernest RUTHERFORD (° 1871, Nelson, New Zélande – † 1937, Cambridge) met au point une méthode de datation isotopique basée sur la mesure de l’hélium produit par la désintégration du radium. Il attribue un âge de 40 Ma à une roche, qu’il révise à 140 Ma puis à 500 Ma, en 19061 , estimation nettement supérieur à ce que Lord KELVIN avait retenu ! En 1905, John William STRUTT (° 12/11/1842, Landford Grove, Essex – † 30/06/1919, Witham, Essex), plus connu sous le nom de Lord RAYLEIGH détermine, le premier, par la même méthode, un âge radiométrique de plus de 1 milliard d’années Cependant, la méthode est abandonnée car biaisée, d’une part par l’instabilité de l’hélium qui peut s’échapper de la roche, d’autre part par le fait qu’il peut être le sous-produit d’autres radionucléides..

En 1906, le fils de Lord KELVIN, Robert STRUTT (° 28/08/1875 – † 13/12/1947), mesure la teneur en radium des minéraux et des roches. Il constate une différence de l’ordre d’un facteur 10 entre basaltes et granites. De plus, les teneurs mesurées les plus faibles sont dix fois supérieures à la teneur moyenne nécessaire pour expliquer le flux de chaleur terrestre interne. Afin de tenir compte du flux réellement mesuré, il suppose que le radium se cantonne dans une zone superficielle de la lithosphère, de 75 Km d’épaisseur, sinon, la Terre s’échaufferait plutôt que de se refroidir. Les géologues ont enfin la certitude que la chaleur produite par notre planète ne provient pas uniquement de sa condensation initiale.
Entre 1905 et 1910, STRUTT mesure la quantité d’hélium incluse dans des minéraux contenant de l’uranium ou du thorium. Il estime l’âge de certains minéraux, à 250 et 280 millions d’années2 .

Nous retrouvons le géologue irlandais JOLY dont la position est intéressante. En effet, il est le premier scientifique à souligner les incidences possibles de la radioactivité sur des phénomènes géologiques. Il participe, en 1904 à Londres, au débat sur l’origine du radium. Comme STRUTT, il s’implique dans des mesures de radioactivité de minéraux et découvre, en 1907, les halos pléochroïques, taches plus ou moins sombres dues aux défauts créés par le bombardement continu de rayons alpha. En collaboration avec RUTHERFORD, des comparaisons entre divers minéraux naturels et artificiels lui permettent d’utiliser l’intensité de ces halos pour dater les minéraux affectés3 . En 1909, paraît son livre, Radioactivity and Geology , dans lequel il discute les nouvelles méthodes de datations radioactives et passe en revue les implications de la radioactivité sur la géodynamique. Cela ne l’empêche pas, comme nous l’avons vu plus haut, de préférer se baser sur la salinité des océans et les vitesses de sédimentation pour évaluer l’âge de la Terre.

A propos du débat de 1904, à Londres, sur l’origine du radium, une anecdote met en scène Lord KELVIN et RUTHERFORD4 . KELVIN est un opposant irréductible à la théorie des désintégrations radioactives. Cependant, il suit de prêt les progrès de celle-ci. Lors d’un exposé de RUTHERFORD, notre grand physicien dort. Il se réveille avec un regard noir au moment où l’orateur aborde l’âge de la Terre. Dans un moment d’inspiration, RUTHERFORD dit : « Lord Kelvin avait limité l’âge de la Terre à la condition qu’aucune nouvelle source de chaleur ne soit découverte. Cette déclaration prophétique se rapporte à ce que nous considérons ce soir, le radium ! » KELVIN à ces propos se réjouit. L’histoire vaut ce qu’elle vaut. Toujours est-il, qu’en 1906, KELVIN nie toujours le rôle de la radioactivité dans le flux thermique de la Terre. Il semble toutefois qu’en privé il aurait confié à J.J. THOMSON5 que son travail sur l’âge de la Terre était le plus important de sa carrière et que la découverte du radium rendait indéfendable ses hypothèses. Son obstination s’expliquerait-elle par le fait qu’il ne voulait pas perdre la face en tant que physicien de renom international ?

Entre 1903 et 1907, Bertram BOLTWOOD (° 1870 – † 1927), un chimiste de l’Université de Yale, remarque que tous les minéraux uranifères contiennent du plomb. Comme nous l’avons vu lors de l’étude des familles radioactives naturelles, cet élément marque la fin de la chaîne de désintégration de l’uranium. BOLTWOOD en conclut que connaissant le taux de production annuel du plomb à partir de l’uranium et les teneurs actuelles de ces deux éléments dans un minéral, on peut calculer l’âge de celui-ci. Cette méthode est valable si au départ aucun plomb n’est présent et que ce dernier est le résultat uniquement de la désintégration de l’uranium. Comme la période de l’uranium est beaucoup trop longue pour connaître le taux annuel de production du plomb, BOLTWOOD contourne la difficulté en profitant du fait que le radium, maillon de la chaîne, a un taux de production annuel connu et qu’à l’équilibre radioactif, il est le même que celui de l’uranium et du plomb. Connaissant le nombre d’atomes de radium présents par atome d’uranium et son taux annuel de désintégration, on peut déterminer le nombre d’atomes de plomb formés par an pour chaque atome d’uranium. Donc, il suffit de diviser le rapport Pb/U par la constante obtenue ainsi pour connaître l’âge d’un minerai. En 1907, il publie les résultats de ses calculs et obtient des âges compris entre 410 et 535 millions d’années6 . En homme prudent, il s’abstient de tout commentaire.
En 1915, sa méthode permet d’attribuer un âge de 1,3 milliard d’années (1,3 GA) aux plus vieilles roches. L’âge de la Terre est donc plus grand que ce qu’imaginaient les géologues !
Non seulement, la radioactivité donne à ceux-ci un instrument pour dater les phénomènes géologiques, mais elle fournit également l’explication de l’ancienneté de l’univers.

Un débat s’amorce entre partisans et adversaires des méthodes radioactives. Le géologue américain G.F. BECKER, en utilisant la méthode de BOLTWOOD, démontre par l’absurde ses faiblesses7 . Il obtient, en 1908, des âges allant de 1,6 à 11,5 milliards d’années pour divers minéraux dont la teneur en uranium et plomb est connue. Ces résultats sont invraisemblables ! D’autre part, si les teneurs en radium obtenues par STRUTT rendent bien compte du flux thermique total de la Terre, sa concentration dans une mince couche de la lithosphère conduit à un gradient géothermique beaucoup trop élevé qui devrait entraîner la fusion des roches à des profondeurs trop faibles.
En conclusion, BECKER énonce que la radioactivité naturelle se limite à une couche encore plus mince ou est concentrée localement et que sa contribution n’intervient que pour 10 % dans le flux de chaleur terrestre. Pour les âges comme pour le flux de chaleur, la radioactivité intervient certes, mais son rôle reste encore obscur et ne peut être pris en compte que si les résultats concordent avec ceux obtenus par la voie purement géologique.

On constate, que ces premières tentatives de géochronologie « absolue » sont disparates, en raison du choix des échantillons et de l’imprécision des méthodes utilisées. Certains scientifiques sont réticents et refusent de s’y adonner. Ainsi, L. DE LAUNAY, un influent ingénieur en chef des Mines, dans son traité paru en 1905, « La Science géologique », passe la radioactivité sous silence. Il y fera allusion dans un deuxième ouvrage, « L’Histoire de la Terre », qui sort en 1906, mais il émet des réserves : « Est-ce là un retour en arrière vers les théories des alchimistes ? Sans doute, dans une certaine mesure ; mais avant de voir dans cette constatation la preuve d’une erreur, il faut bien se rendre compte en quoi les alchimistes se trompaient et en quoi on est peut-être resté dans l’erreur en les rectifiant »8 . A propos des calculs de KELVIN, il note encore que « n’étaient les noms des savants qui les ont établis, ces chiffres ne mériteraient aucune attention, tant on a accumulé pour les obtenir d’invraisemblables hypothèses ».

Pierre TERMIER (° 1859 – † 1930) écrit, en 1910 : « La méthode repose toute entière sur un « postulatum » invérifiable qui est la constance absolue de la vitesse de désintégration de l’atome instable. Tout cela est vraisemblable mais incertain ».

Cependant, des personnalités comme JOLY et BECKER ont une influence notoire sur leurs collègues géologues qui ont quelques difficultés à dialoguer avec les physiciens et les chimistes de la nouvelle école, celle du nucléaire.

La première tentative réelle pour déterminer directement l’âge de la Terre sera réalisé par Arthur HOLMES (° 14-01-1890 – † 20-09-1965), professeur à l’Université d’Edimbourg. Ce géologue britannique a marqué de son empreinte la géochronologie. Dans son livre The Age of the Earth, publié en 1913, il estime l’âge des plus vieilles roches à 1.600 millions d’années. Il constate que les résultats confirment tous l’échelle stratigraphique basée sur des données paléontologiques. Il en sera de même pour toutes les mesures ultérieures. Les premières valeurs qu’il propose, sont pour nombre d’entre elles confirmées aujourd’hui :

  • pour le Carbonifère, il propose 340 Ma, les mesures actuelles place cette période de 354 Ma à 298 Ma :
  • pour le Dévonien, il l’estime à 370 Ma, aujourd’hui il dure de 350 à 410 Ma :
  • pour le Silurien, il avance 430 Ma et maintenant on le situe entre 435 à 410 Ma

C’est l’un des premiers partisans de la dérive des continents émise par Alfred WEGENER (° 1880, Berlin – † 1930, Groenland). Selon lui, le manteau terrestre contient des cellules de convection qui dissipent la chaleur due aux éléments radioactifs et amènent la croûte terrestre vers la surface. Cette vue étant purement théorique est rejetée par Harold JEFFREYS9 (° 22-04-1891 – † 18-03-1989) et la communauté des géophysiciens.

En 1921, l’astronome américain Henry Norris RUSSEL (° 1877 – † 1957), partant de l’âge de la plus vieille roche connue (1.000 Ma) et admettant que tout le plomb des minéraux terrestre est issu de la désintégration de l’uranium, calcule qu’il a fallu 8.000 Ma pour qu’il s’élabore.

En 1938, le physicien américain Alfred NIER (° 1911 – † 1994), puis Harold UREY proposent une approche isotopique de la datation radiométrique. Ils mesurent la composition isotopique du plomb (rapport 207Pb/206Pb), produit final des trois familles radioactives, présent dans les galènes et trouve, pour les plus vieux échantillons de roche, des âges de 2.500 Ma .

En 1944, Arthur HOLMES publie un second livre, Principles of Physical Geology, tout aussi célèbre que son premier. Sur la base de nouvelles mesures tenant compte de l’abondance relative des isotopes d’uranium, proposée par Alfred NIER, il arrive à un âge de notre planète beaucoup plus réaliste, soit 4.500 millions d’années ± 100 millions. Deux autres chercheurs, E. K. GERLING et Friedrich HOUTERMANS, se basant également sur les données de NIER, obtiennent, en 1946, le même résultat.

Bien avant que l’on se penche sur l’étude de la dissipation de l’énergie émise par la Terre, les astronomes se lancent dans des spéculations sur celle qui émane du Soleil. W.E. WILSON imagine, pour expliquer celle-ci, une concentration en radium de 3,6 gr/m³ au sein de notre étoile, bien qu’il ne soit pas détecté dans le spectre lumineux de l’astre. L’hélium est identifié pour la première fois en 1868 dans des étoiles. Sur Terre, il a été détecté dans des minerais d’uranium. En 1903, les chimistes britanniques William RAMSAY (° 1852 – † 1916) et Frederich SODDY (° 1877 – † 1956) rapportent que la désintégration du radium produit effectivement de l’hélium. La présence d’hélium dans le Soleil suppose l’existence de réactions thermonucléaires violentes. La nouvelle physique permet d’élucider celles-ci. Une hypothèse hardie conduit ainsi à une large fourchette de 0,6 à 5 milliards d’années, bien loin des 12 à 100 millions d’années donnés par l’école de Lord KELVIN.

En 1929, l’astronome américain Edwin HUBBLE (° 1889 – † 1963) par analyse spectroscopique, observe un décalage vers le rouge des spectres de certaines galaxies. Il en déduit la relation de proportionnalité entre leur vitesse d’éloignement et leur distance (loi de Hubble). Cette loi permet d’estimer l’âge de l’Univers entre 1,8 et 2 GA. Des roches, selon les mesures des géologues, seraient donc plus vieilles que l’univers ! Impossible ! Heureusement, en 1950, la relation distance – vitesse de HUBBLE est revue à la hausse et l’âge de l’Univers recule à 4 GA.

Grâce à l’amélioration de la technique de la spectrométrie de masse dans les années 1950, la détermination de la composition isotopique des éléments présents dans les roches, est fortement facilitée. Durant la Seconde Guerre mondiale, bon nombre de scientifiques européens, afin de fuir le régime nazi, se sont exilés aux Etats-Unis et ont été incorporés dans des programmes de recherches spécifiques (Projet Manhattan, notamment). Cet effort de guerre a permit un développement spectaculaire dans de nombreux domaines technologiques.

En 1953, un post-doctorant à l’Université de Chicago, Clair PATTERSON (° 1922, Mitchellville, Iowa, – † 1995, Sea Ranch, Californie)., procède à l’analyse isotopique des météorites. Il travaille sous la direction du géochimiste américain Harrison BROWN (° 1917 – † 1986), qui a participé au Projet Manhattan et travaille depuis 1947 sur le même sujet. Ils arrivent à la conclusion que la Terre et les météorites sont constitués du même matériau source et se sont formés à la même époque, il y a 4,55 GA (±70 MA),

Mais en fait, l’âge de la Terre qui a été accepté jusqu’à ce jour, est celui déterminé à la fin des années 1930 par A. HOLMES et F.E. WICKMAN. qui s’étaient déjà penchés sur l’abondance isotopique du plomb (204Pb, 206Pb et 207Pb) dans les météorites. Sur terre, tout le 204Pb est présent depuis le début de sa formation tandis qu’une partie du 206Pb et du 207Pb est formée constamment par 238U et 235U. En comparant les proportions actuelles de plomb et d’uranium de notre planète avec celle du plomb des météorites sans uranium, et connaissant la loi de désintégration de ces différents éléments, HOLMES et WICKMAN sont arrivés à une valeur de près de 4,6 milliards d’années, âge attribué au système solaire.

Toutefois, une nouvelle estimation de l’âge de la Terre a été annoncée dans la revue « Nature » (août 2002). Elle est due aux observations faites par Al CAMERON de l’Université d’Arizona (Tucson, U.S.A.) et Thorsten KLEINE de l’Université de Munster (Allemagne) et de leurs collègues. L’analyse menée par ces chercheurs portant sur des éléments radioactifs rares (hafnium et tungstène) fait reculer l’âge de notre planète de près de 20 millions d’années. Ces éléments étaient abondants au début du système solaire. On en retrouve encore des traces aujourd’hui. Ils constituent de véritables horloges radioactives. Les analyses ont été menées sur des roches terrestres, des fragments de météorites d’origine martienne et d’autres météorites n’ayant pas d’origine planétaire.
Les analyses géologiques faisaient remonter la formation du noyau métallique de la Terre à 50 millions d’années après l’explosion de la supernova alors que les modèles informatiques indiquaient 20 à 30 millions d’années. Le système solaire s’est formé il y a 4.600 millions d’années à partir d’un nuage de gaz et de poussière ayant subit une onde de choc engendrée par l’explosion d’une supernova proche, laquelle a enclenché l’accrétion des différents objets de notre système planétaire.

La formation du cœur de la Terre, de Mars et de la Lune est probablement intervenue dans les 30 premiers millions d’années de la formation du système solaire (4,6 milliards d’années) et non 50 millions d’années après l’explosion de la supernova génératrice de notre système, ce qui ramène l’âge de la formation de la Terre de 4,55 à 4,58 milliards d’années.

III. STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE

Afin de mieux appréhender la suite de notre exposé, il est utile de se pencher sur la structure interne de notre globe.

Grâce à la sismologie, étude de la transmission des ondes émises lors des tremblements de terre, on a pu déterminer que notre planète est formée de quatre sphères emboîtées.
De la surface vers le centre :

    • La croûte qui forme l’écorce, rigide et froide, a une épaisseur de 7 Km sous les océans et de 30 à 40 Km sous les continents. Elle fait partie de la lithosphère qui comprend en plus une partie du manteau. Elle atteint 70 Km au niveau de la croûte océanique et environ 150 Km sous la croûte continentale. Elle est découpée en plaques mobiles qui se déplacent horizontalement sur l’asthénosphère.
    • Le manteau, ceinture rocheuse de 2.900 Km d’épaisseur composée de silicates et d’oxyde ferro-magnésiens. Il est subdivisé en trois unités de composition minéralogique différente :
      – le manteau supérieur, de 400 Km de profondeur :
      – la zone de transition allant de 400 à 660 Km ;
      – le manteau inférieur, de 600 à 2.900 Km.
      A la limite entre la zone de transition et le manteau inférieur, la température atteint 1.600° C et la pression y est de 23 GPa, tandis qu’au niveau de la couche D », la température est de 3.500° C et la pression de 135 GPa.

      • L’asthénosphère qui est constitué par le manteau moins sa partie appartenant à la lithosphère n’est pas rigide mais à tendance à fluer sous de faibles contraintes ce qui permet aux plaques de la lithosphère de se déplacer les unes par rapport aux autres.
      • Le noyau externe de 2.900 à 5.100 Km, très dense et très chaud, séparé du manteau par la couche D ». Il est formé par un alliage métallique de fer, nickel et éléments plus légers à l’état liquide.
      • A 5.100 Km, la température monte à 5.250° C et la pression à 330 GPa.La graine, d’un diamètre de 1.271 Km, occupe le centre de la planète et est de même composition que le noyau quoique solide. Au centre, la température atteint 6.000° C et la pression est de 365 GPa.

La Terre a un diamètre de 6.371 Km.

globe terrestre
Fig. 1 – Structure interne de la Terre


VI. LA DEPERDITION D’ENERGIE A LA SURFACE DU GLOBE

Deux indicateurs permettent de déterminer la déperdition d’énergie en surface :

1. Le flux géothermique

Il mesure la quantité de chaleur dissipée dans les roches. Le fait que la température augmente avec la profondeur, comme l’avait déjà découvert le savant et jésuite allemand Athanasius KIRCHER (° 1602, Fulda – † 1680, Rome) en 1664, montre qu’il y a échange thermique entre le centre de la Terre et sa surface. La valeur moyenne, loin d’être uniforme, est estimée à 60 mW/m²
En raison des surfaces impliquées, ce sont les océans et les continents qui participent les plus globalement à la dissipation, avec des puissances allant de 25 mW/m² pour les zones les plus froides jusqu’à 1 W/m² pour les zones chaudes comme le Yellowstone par exemple. Par contre, ce sont les régions volcaniques (points chauds et dorsales) qui perdent le plus d’énergie avec des flux géothermique pouvant atteindre 400mW/m²

2. Le gradient géothermique

Le gradient géothermique mesure l’augmentation de température constatée dans le sous-sol à mesure que l’on s’éloigne de la surface. Il a d’abord été mesuré lors de forages profonds. Actuellement, il est calculé par des mesures du flux de chaleur émis à la surface de la Terre. Le gradient moyen dans la lithosphère est d’environ 3° C tous les 100 mètres, mais il est variable selon la constitution profonde des différentes régions. Dans les régions géotectoniques stables il n’est que de 1,5 à 2° C pour 100 m, tandis que dans les zones actives, il atteint jusqu’à 6° C pour 100 m.
Nous savons maintenant que cette énergie est produite pour 90% par les éléments radioactifs naturels, principalement l’uranium et le thorium.

Deux mécanismes permettent la transmission de la chaleur du centre vers l’extérieur :
• Dans la lithosphère, le transfert se fait par conduction : l’énergie thermique se propage d’atomes en atomes par agitation thermique sans mouvement de matière.
• Dans le manteau, l’énergie thermique se transmet par convection, c’est-à-dire par transport énergétique dû au mouvement de la matière selon des cellules de convection.
Le gradient adiabatique10 dans l’asthénosphère, entre les deux couches limites thermiques haute et basse est facilement calculable par la thermodynamique : 0,3° C/Km. Le profil de température dans le manteau est connu indirectement (mesure de température des équilibres minéralogiques dans les enclaves de roches mantelliques, température aux changements de phase olivine/spinelle/perowskite…) jusqu’à 670 Km de profondeur. Il est de 10 à 30° C/Km dans la lithosphère, et de 0,3° C/Km dans l’asthénosphère. La théorie est donc confirmée par les observations, et il n’y a plus qu’à prolonger ce gradient de 0,3° C/Km jusqu’au noyau à -2 900 Km : le calcul donne la valeur de 2.000°C à la base du manteau.
Dans le noyau, on estime la température à l’interface graine/noyau externe (5.150 Km de profondeur) comme étant la température de cristallisation du fer à ces pressions ; c’est environ 5 000°C. Avec un gradient adiabatique calculé (mais invérifiable par l’observation pour le noyau), très voisin de celui du manteau (0,55 °C/km) et en remontant de -5.150 km à -2.900 km, on trouve une température de 3.800°C pour le sommet du noyau externe. On peut donc tracer le géotherme terrestre ci-dessous.

gradient adiabatique
Fig. 2 – Le géotherme terrestre


VII. BIBLIOGRAPHIE

DE LAUNAY L. (1906) – L’Histoire de la Terre, Ernest Flammarion, éditeur, Paris.
GOHAU G. (1987) – Une histoire de la géologie, Ed. La Découverte, col. « Points – Sciences » S66.
PICCIOTTO E.-E.Les phénomènes radioactifs en géologie, in ? pp. 102-135.
PREVOST J.-P. (1976) – Grande Encyclopédie Alpha des Sciences et des Technique – Géologie II, Grange Batelière, Paris – Editions Kister, Genève – Erasme, Bruxelles-Anvers
Intenet :
http://a.foucault.free.fr/buffon.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/William_Thomson
http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/chimisterie/9805/NDumas.html
http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-convection-et-geotherme.xml
http://www.cnrs.fr/cnrs-images/sciencesdelaterreaulycee/contenu/dyn_int4-1.htm
http://www.cirs.fr/breve.php?id=69
http://fr.wikipedia.org/wiki/Gradient_g%C3%A9othermique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Arthur_Holmes
http://www.attracteur.qc.ca/10-2000/AgeTerre.htm
http://acces.inrp.fr/acces/terre/limites/Temps/datation-isotopique/comprendre/datation-isotopique-de-la-terre
http://www.larecherche.fr/content/impression/article?id=21276
http://www.ulb.ac.be/sciences/gigc/index_fichiers/cours/geochim%20isotopique/cours_geochimie_isotopique_chapitre2.html#2213

Notes


1. E. RUTHERFORD, Arch. Sci. Phys. Nat. , 19 , 31-59 et 125-150, 1905 ; Phil. Mag. , 12 , 348, 1906.
2. R.J. STRUTT, Proc. Roy. Soc. , 84 , 379, 1910
3. J. JOLY et E. RUTHERFORD, Phil. Mag. , 25 , 644, 1913.
4. A.S. EVE, Rutherford , Macmillan, New York, 1939.
5. J.J. THOMSON, Recollections and reflections , Macmillan, New York, 1937.
6. B.B. BOLTWOOD, Amer. J. Sci. , 23 , 77,
7. G.F. BECKER, Bull. Geol. Soc. Amer. , 19 , 113, 1908.
8. Ouvrage cité, p. 100.
9. Mathématicien et statisticien, mais surtout géophysicien et astronome britannique.
10. adiabatique : une transformation est dite adiabatique quand le système considéré n’échange pas dechaleur avec l’extérieur.

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