Garder le temps avec les zircons

CRÉDIT : JOHN VALLEY / UNIVERSITÉ DU WISCONSIN-MADISON

Ce fragment d'un cristal de zircon extrait d'un affleurement de la région isolée de Jack Hills, en Australie occidentale, est vieux de 4,4 milliards d'années. Les impuretés contenues dans ces cristaux permettent aux scientifiques de déterminer leur âge et donc le moment où se produisent toutes sortes de développements géologiques.

Les cristaux du minéral zircon sont suffisamment robustes pour survivre aux événements géologiques les plus violents. Les impuretés qu’ils contiennent fournissent une capsule temporelle de l’histoire planétaire.

Par Cypress Hansen 14.04.2021

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Les diamants sont peut-être les pierres précieuses les plus dures, mais ce sont les zircons qui durent éternellement. Ces pierres de naissance de décembre sont si durables qu'elles représentent le matériau connu le plus ancien sur Terre : certains zircons d'Australie remontent à plus de 4 milliards d'années.

Mais les zircons ne sont pas seulement anciens. Tout comme les cernes des arbres, ils peuvent enregistrer le temps, révélant l’âge des roches qui les entourent et les processus géologiques dont ils ont été témoins. Grâce aux zircons, les chercheurs peuvent raconter l'histoire de l'origine des planètes, déduire quand les continents sont sortis des océans et peut-être même découvrir des minéraux précieux sous la surface de la Terre.

"Ce que nous savons sur la Terre sans l'aide des zircons est très, très petit", explique Jesse Reimink, un géologue qui étudie les cristaux à l'Université d'État de Pennsylvanie.

Le minéral zircon se forme lorsque les éléments zirconium, silicium et oxygène cristallisent dans le magma ou la roche métamorphique. Au fil du temps, un chauffage et un refroidissement répétés ajoutent des couches externes au cristal, comme des couches successives de peinture. Les atomes d’une poignée d’éléments, comme l’uranium, sont suffisamment similaires aux atomes de zirconium pour pouvoir prendre leur place dans la structure cristalline. Si ces atomes sont radioactifs, ils se convertiront lentement en un autre élément, tel que le plomb, grâce au processus prévisible de désintégration radioactive.

Lorsque cela se produit, le cristal devient une horloge. En faisant exploser des cristaux de zircon avec des lasers ou en les dissolvant avec de l'acide, puis en mesurant les rapports uranium/plomb, par exemple, les scientifiques peuvent estimer le timing d'événements géologiques anciens avec une précision impressionnante.

Le zircon "est le minéral parfait pour le système de désintégration de l'uranium-plomb", explique Reimink, "et le système de désintégration de l'uranium-plomb est comme un don de Dieu pour la géochronologie".

Et comme les zircons sont extrêmement résistants à la fusion, à la fissuration ou à l’érosion, ils permettent aux chercheurs de dater certains des événements les plus anciens de la planète.

"La recherche sur le zircon est l'horizon sur lequel nous pouvons faire des découvertes sur les débuts de la Terre", explique la géochimiste Beth Ann Bell de l'UCLA. "Cela fait partie d'essayer de comprendre d'où nous venons."

Les cristaux de zircon se forment dans le magma ou dans les roches métamorphiques et développent de nouvelles couches dans les roches liquides ou quasi-liquides. Les éléments qui ont des formes naturellement radioactives peuvent être incorporés dans la structure cristalline au fur et à mesure de sa croissance. Au fil du temps, ces éléments, comme l'uranium présenté ici, se désintègrent en éléments filles à un rythme prévisible, fournissant ainsi aux scientifiques une « horloge » avec laquelle ils peuvent dater les processus géologiques vécus par le cristal de zircon.

Les zircons ont à peu près la taille d’un grain de sable et les chercheurs doivent souvent collecter, broyer et tamiser plusieurs kilogrammes de roche pour obtenir un échantillon de bonne taille. Mais grâce à l’amélioration de la technologie laser et aux instruments d’analyse plus sensibles, la datation sur zircon devient plus facile et plus précise, ce qui signifie que les scientifiques peuvent extraire plus d’informations à partir de moins de cristaux. "Le domaine évolue très rapidement", explique Martin Bizzarro, planétologue à l'Université de Copenhague. « Les gens repoussent les limites pour analyser des échantillons de plus en plus petits avec la plus grande précision. »

Voici une partie de ce que les scientifiques apprennent grâce à ces minuscules montres.