A la surface, un océan de magma déchaîné et bombardé en permanence par une pluie d’astéroïdes ; dans les airs, une atmosphère très dense, dépourvue de toute trace d’oxygène. Bienvenue… sur Terre, quelques dizaines de millions d’années après la naissance du système solaire. Les chercheurs en sont certains : notre planète s’est bien trouvée dans cet état infernal, et même sûrement plusieurs fois. Mais pour le reste, la jeunesse de la Terre reste bien mystérieuse… À partir de quoi s’est-elle vraiment formée ? Comment a-t-elle pu devenir une planète capable d’accueillir vaches et fragiles pâquerettes ? D’où vient l’eau qui les abreuve et remplit les océans ? Pour trouver des réponses imparables, c’est l’effervescence dans les labos. Grâce à des techniques toujours plus précises, les scientifiques savent de mieux en mieux faire parler les échantillons de matière, précieux témoins des âges farouches, qu’ils sont allés chercher dans les volcans comme au fin fond du Groenland… et même dans la queue d’une comète ! Mais si les découvertes s’accélèrent, des questions majeures restent sans réponse.

Une formation encore mystérieuse
Première énigme à laquelle s’attaquent les scientifiques, la naissance de la Terre, il y a environ 4,5 milliards d’années. Pour expliquer la forma-tion de notre planète, la thèse est la suivante : dans le gaz qui baigne alors la jeunesse du Soleil, des poussières (lire l’encadré fin de page) se seraient réunies pour constituer des météorites, les « chondri-tes », qui se seraient elles-mêmes agglomérées pour former, choc après choc, notre chic planète : c’est le processus d’accrétion… qui n’aurait pas encore livré tous ses secrets. La preuve ? En étudiant des chondrites (chaque année, il en tombe encore plusieurs tonnes sur Terre), les chercheurs du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CRPG) du CNRS à Nancy ont peut-être découvert l’existence d’une nouvelle étape au début de ce processus. Ses contours précis restent à définir, mais elle inclurait des « planétésimaux », sortes de mini-planètes de quelques kilomètres de diamètre, déjà structurées avec un petit noyau, par exemple. « En analysant la composition des chondres, petites boules de silicate¹ que l’on trouve dans les chondrites, nous nous sommes aperçus qu’elles ne pouvaient pas s’être formées uniquement à partir de poussières nées autour du Soleil, mais qu’elles contenaient également des fragments de planétésimaux », explique Guy Libourel, professeur de l’École nationale supérieure de géologie et chercheur au CRPG.
Autre question : combien de temps a mis le processus d’accrétion pour façonner l’essentiel de notre planète ? Jusqu’ici, l’on tablait sur 100 millions d’années. Mais « cela aurait pu prendre seulement 30 millions d’années, avance Marc Chaussidon, chercheur du CRPG. En effet, grâce aux observations de Mars et des exoplanètes, et à l’amélioration des modèles, nous savons aujourd’hui qu’une planète se forme beaucoup plus vite que ce que l’on croyait ». Une hypothèse encore débattue pour la Terre.

Une planète aux vies multiples ?
Si la naissance de notre Terre est encore mystérieuse, sa « jeunesse » reste aussi une énigme pour nos scientifiques qui s’arrachent les cheveux sur les 600 millions d’années qui ont suivi sa formation, une période connue sous le nom d’Hadéen. Principal obstacle ? Vers la fin de cette ère, la Terre a été frappée par un bombardement très intense de météorites, qui a aussi laissé son empreinte sur la Lune : ce bombardement qualifié de « tardif » a effacé les traces des évènements précédents et complique les reconstitutions. Alors, que s’est-il vraiment passé à cette époque ? « Jusqu’à peu, on pensait que la Terre était restée en fusion depuis sa formation jusqu’au bombardement tardif », explique Marc Chaussidon. Qui avance une nouvelle thèse : « Durant cette période, notre planète avait déjà certainement pris la forme qu’on lui connaît avec un noyau entouré d’un manteau voire des continents et des océans à sa surface. Qui sait ? La vie était peut-être déjà apparue. Jusqu’à ce que le bombardement tardif, en refondant la Terre, n’oblige à tout recommencer. » Nos chercheurs n’excluent pas que ce phénomène ait même eu lieu plusieurs fois durant l’Hadéen : le développement de la Terre aurait été à chaque fois anéanti par des bombardements qui l’auraient replongée dans la fusion de ses débuts.

Comment la Terre s’est structurée
Combien de fois la Terre a-t-elle ainsi acquis un noyau, un manteau et une croûte ? Mystère et boule de gomme. Par contre, le processus est à peu près cerné. « La Terre subit chaque fois un choc d’une intensité inouïe comme un bombardement intense de météorites ou une collision importante, comme celle avec un objet de la taille de Mars qui donna naissance à la Lune », explique Jean-Louis Birck, directeur de recherche à l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP)². Conséquence : ce cataclysme met la planète en fusion. Elle se recouvre d’un océan de magma de plusieurs milliers de degrés et de plusieurs centaines de kilomètres de profondeur. Les éléments chimiques migrent alors selon leur nature : par exemple, le fer métal – un composant lourd et incompatible avec les silicates qui constituent le gros du magma – se dirige vers le centre de la Terre, pour former le noyau. Ensuite, lorsque la surface se refroidit, par exemple quand la pluie de météorites se calme et que la planète a transféré une grande part de sa chaleur vers l’espace, une croûte se solidifie à la surface. En théorie, les océans peuvent alors apparaître, tout comme la vie. Jusqu’à ce que de nouveaux impacts replongent la Terre en fusion. Problème : chaque nouvelle fusion a fait disparaître presque toutes les traces de l’étape précédente. Mais pas toutes : « En analysant la présence des différents isotopes ³ d’un élément – le néodyme – contenus dans des roches d’Isua, un site du Groenland, nous avons pu montrer en 2006 que la Terre avait eu un manteau très tôt dans l’Hadéen », explique Jean-Louis Birck.

La naissance de l’atmosphère

Cette période de l’Hadéen intéresse d’autres spécialistes qui se triturent les méninges pour finaliser le scénario de l’évolution de l’atmosphère. Un point fait consensus : son allure actuelle n’a rien à voir avec celle des premières années. Selon toute vraisemblance, son ancêtre ressemblait plutôt à l’atmosphère actuelle de Vénus : elle devait être constituée essentiellement de dioxyde de carbone (CO₂), d’azote, d’hydrogène, de vapeur d’eau ou encore de méthane, une composition que nos scientifiques ont reconstituée en prenant pour référence la nature des chondrites, le matériau de départ de la Terre.
En outre, il y régnait une pression incroyable : entre 20 et 480 fois la pression actuelle ! « Cette atmosphère hostile vient sûrement d’un dégazage massif des gaz formés dans le manteau terrestre, qui aurait eu lieu pendant les 150 millions d’années après la formation de la Terre, explique Manuel Moreira, de l’IPGP. Mais cela s’est aussi accompagné d’un apport cosmique, autrement dit d’une libération des gaz emprisonnés dans les météorites et comètes qui heurtaient quotidiennement la Terre. »
La principale difficulté pour reconstituer l’histoire de notre atmosphère ? À ses débuts, la planète n’a pas atteint les conditions de température et de gravité notamment pour retenir tous les gaz dans son atmosphère : des composants légers ont donc pu s’enfuir dans l’espace en catimini. « Comme l’atmosphère a été balayée par les impacts ainsi que par des vents solaires, beaucoup de choses ont été effacées », complète notre géochimiste, obligé de jouer les fins limiers. À l’IPGP, on étudie donc les évolutions de la concentration des gaz rares (xénon, hélium, argon, néon, etc.) – qui ont l’avantage d’être présents dans notre atmosphère depuis le début –, et pour lesquels les scientifiques traquent un peu partout les différents isotopes. « Par exemple, l’argon, qui est trop lourd pour s’échapper vers l’espace et s’accumule depuis 4,5 milliards d’années dans l’atmosphère, permettrait de reconstituer avec précision l’évolution du dégazage du manteau », illustre le chercheur. Et donc d’en savoir un peu plus sur les deux premiers milliards d’années de l’atmosphère, période qui concentre le gros des questions. Car ensuite, on y voit plus clair : il y a 2,3 milliards d’années, l’oxygène apparaît en masse, grâce aux débuts de la photosynthèse, un phénomène qui va permettre l’essor exponentiel de la vie. Utilisé par les plantes mais aussi piégé dans les silicates, le CO₂, alors leader chimique de l’atmosphère, voit sa proportion baisser très rapidement de 98 % de l’atmosphère à moins de 1 % (elle est aujourd’hui à 0,03 %). Bref, notre atmosphère prend peu à peu le visage qu’on lui connaît.

L’origine de l’eau
Dernière énigme sur laquelle planchent nos chercheurs, celle de l’eau terrestre. D’où vient notre chère H₂O ? « Nous pensons aujourd’hui que l’eau a deux origines distinctes, note Marc Javoy, spécialiste du sujet à l’IPGP. Il y a d’une part une eau présente dès la formation de la Terre et dégazée par le manteau primitif. Et d’autre part, une eau d’origine cosmique, importée par ce que l’on nomme le “vernis tardif”, en fait un bombardement de météorites, et surtout par des comètes, très riches en eau, qui auraient percuté la Terre à ses débuts. » Pour identifier le poids respectif de ces deux origines, les chercheurs tentent de suivre la trace du deutérium, un isotope de l’hydrogène très présent dans les comètes mais qui semble plus rare dans le manteau. Des quantités qu’ils comparent ensuite à celles des océans. « Si le débat est loin d’être tranché, certaines données récentes laissent à penser que l’eau d’origine cométaire pourrait constituer jusqu’à la moitié de l’eau terrestre », conclut Marc Javoy.

Reste une question : d’où viennent les océans ? Du ciel ? Eh bien oui, sûrement. Car lorsque la Terre est en fusion, l’eau doit se réfugier dans l’atmosphère sous forme de vapeur d’eau, en attendant des jours meilleurs. Quand la température baisse, la vapeur d’eau se condense : l’eau devient liquide, et la Terre connaît un déluge continu, entre 4 et 7 mètres par an, estiment certains scientifiques. Sait-on de quand datent ces premiers océans, dont la température de surface pouvait approcher les 80 °C ? Ceux pour lesquels on dispose de preuve directe – des sédiments trouvés dans la région d’Isua – sont datés d’il y a 3,9 milliards d’années. Mais ils ont pu être précédés d’océans primitifs durant l’Hadéen. Qui auraient été entièrement vaporisés dans l’atmosphère par de grosses météorites tombées sur Terre, redémarrant le processus à zéro… Nos chercheurs ignorent combien de fois ce mécanisme a eu lieu. Récemment, de nouveaux venus ont semé le trouble : « Des zircons⁴ trouvés en Australie ont été datés à 4,3, voire 4,4 milliards d’années, relate Pierre Agrinier, chercheur de l’IPGP. Or la formation de certains de ces minéraux réclame des sédiments, donc de l’eau liquide… » Y avait-il déjà un océan ? Encore une question en suspens sur la turbulente jeunesse de la planète Terre.

Matthieu Ravaud

2008 : l’année de la terre « Les sciences de la Terre sont relativement mal comprises, bien souvent réduites aux interactions positives avec l’industrie, notamment pétrolière », explique Jean Dercourt, président du comité stratégique français de l’Année internationale de la planète Terre (AIPT), proclamée par les Nations unies, à l’initiative de l’Union internationale des sciences géologiques et de l’Unesco. Outre l’effervescence pour le monde de la recherche, l’AIPT insiste donc sur sa volonté de mieux faire connaître, au grand public et aux scolaires, la géologie, la géophysique, la géochimie, etc., ainsi que leurs applications potentielles, comme la prévision d’un séisme ou d’un tsunami. « Car il s’agit aussi de montrer ce que ces sciences renouvelées peuvent faire pour l’humanité », ajoute Jean Dercourt. C’est d’ailleurs ce thème, sous-titré « Les sciences de la Terre pour la société », qu’a choisi le comité français soutenu par le CNRS. L’AIPT a été proclamée de 2007 à 2009, avec un apogée en 2008. Les 12 et 13 février prochains, l’ouverture solennelle sera célébrée à l’Unesco. C.Z. >> En savoir plus : www.anneeplaneteterre.com/ Contact : Jean Dercourt, jean.dercourt@academie-sciences.fr

Un institut pour la planète L’Institut national des sciences de l’Univers (Insu) est sur tous les fronts pour mieux comprendre notre planète. Dotée d’un budget de 30 millions d’euros hors salaires, cette agence de moyens et de coordination du CNRS et du ministère de la Recherche a pour mission de développer et de coordonner des recherches d’ampleur nationale et internationale, notamment en sciences de la Terre. Elle conduit de nombreuses actions sur des projets d’envergure. Ainsi, « Structure et évolution de la Terre interne » (Sedit) porte sur les mécanismes mis en jeu à l’intérieur de la Terre. « Fluide, flux, faille » (3F) se focalise sur les transferts et les mouvements dans la lithosphère. Eclipse a pour but de reconstituer les environnements, climats et écosystèmes du passé. Reliefs étudie les interactions entre tectonique, érosion, sédimentation et climat. Autre projet : H2-Naturel porte sur les sources naturelles d’hydrogène. L’Insu coordonne aussi le financement des grands instruments. Exemples : l’observatoire Geoscope lancé dans les années 1980 par l’Insu, une « maille » planétaire de stations sismologiques ; ou encore Ecord, le consortium européen, piloté par l’institut, qui participe au programme international IODP pour forer la croûte océanique.Un des points forts de l’institut ? Parvenir à fédérer les efforts de différentes disciplines et de nombreux laboratoires dans des régions qui deviennent de véritables chantiers scientifiques. Ainsi, le projet Momar s’intéresse à la ride médio-Atlantique au large des Açores ; le chantier Antilles étudie la convergence de deux plaques ainsi que les phénomènes entraînés par la subduction (déformations, séismes, volcanisme, etc.) ; quant au futur grand « Chantier méditerranéen », il fera converger les disciplines de l’atmosphère, de l’hydrosphère et de la lithosphère. On l’aura deviné : l’Insu est un des grands acteurs français de l’Année internationale de la Terre. M.R. >> Plus d’infos : www.insu.cnrs.fr Contacts : Bruno Goffé, bruno.goffe@cnrs-dir.fr Christiane Grappin, christiane.grappin@cnrs-dir.fr

Sur la piste de la matière originelle © A. Toppani/CRPG Grâce à cet appareil, les chercheurs simulent des réactions qui ont lieu autour des étoiles, comme notre Soleil. Et remontent ainsi aux ingrédients de base de notre planète. Pour connaître la matière première de la Terre, les chercheurs du CRPG ont mis au point une étrange machine : le Nébulotron. Elle permet de reproduire l’apparition des premiers minéraux formés par condensation du gaz nébulaire autour du jeune Soleil. « Nous plaçons au cœur de cette machine un morceau de verre dont la composition est proche de ce que nous savons du gaz solaire, et nous le chauffons avec un laser, explique Guy Libourel. Apparaît un plasma1 que nous “stabilisons” à l’aide d’un four. Après, il suffit d’analyser la nature des minéraux formés à partir de ce gaz. » Résultat : nos scientifiques retrouvent les minéraux présents dans les chondrites, ces roches formées à cette époque non loin du Soleil. Pour affiner leur recherche, ils doivent améliorer leur connaissance du gaz solaire. Deux projets internationaux vont les y aider : la mission Genesis2, qui a recueilli, à 1,5 million de kilomètres de la Terre, des particules émises par le Soleil, et la mission Stardust 3, qui a récolté des poussières de la queue de la comète Wild 2, elles-mêmes témoins directes des premiers âges du système solaire. Pour chacune, le CRPG participe à l’analyse des précieux échantillons. M.R. 1. Un quatrième état de la matière, ni solide, ni liquide, ni gazeux. 2. Lire : « Dans l’intimité de la matière », Le journal du CNRS, n° 182, mars 2005 – www2.cnrs.fr/presse/journal/2019.htm 3. Lire : « Poussières du troisième type », Le journal du CNRS, n° 195, avril 2006 – www2.cnrs.fr/presse/journal/2788.htm