Des géologues du MIT et de l’Université d’Oxford ont découvert au Groenland d’anciennes roches qui contiennent les vestiges les plus anciens du champ magnétique primitif de la Terre.
Les roches semblent exceptionnellement intactes, ayant conservé leurs propriétés pendant des milliards d’années. Les chercheurs ont déterminé que les roches ont environ 3,7 milliards d’années et conservent la signature d’un champ magnétique d’une force d’au moins 15 microtesla. L’ampleur du champ ancien est similaire à celle du champ magnétique terrestre actuel.
Les résultats en libre accès, apparaissant aujourd’hui dans le Journal de recherche géophysique, représentent l’une des premières preuves d’un champ magnétique entourant la Terre. Les résultats pourraient prolonger l’âge du champ magnétique terrestre de plusieurs centaines de millions d’années et pourraient faire la lumière sur les premières conditions de la planète qui ont aidé la vie à s’implanter.
Crédit : Claire Nichols
« Le champ magnétique est, en théorie, l’une des raisons pour lesquelles nous pensons que la Terre est vraiment unique en tant que planète habitable », explique Claire Nichols, ancienne postdoctorante du MIT et aujourd’hui professeure agrégée de géologie des processus planétaires à l’Université d’Oxford. « On pense que notre champ magnétique nous protège des rayonnements nocifs de l’espace et nous aide également à avoir des océans et des atmosphères stables pendant de longues périodes. »
Des études antérieures ont mis en évidence l’existence d’un champ magnétique sur Terre vieux d’au moins 3,5 milliards d’années. La nouvelle étude prolonge la durée de vie du champ magnétique de 200 millions d’années supplémentaires.
« C’est important parce que c’est à cette époque que nous pensons que la vie émergeait », explique Benjamin Weiss, professeur Robert R. Shrock de sciences planétaires au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. « Si le champ magnétique terrestre existait il y a quelques centaines de millions d’années, il aurait pu jouer un rôle essentiel en rendant la planète habitable. »
Nichols et Weiss sont co-auteurs de la nouvelle étude, à laquelle participent également Craig Martin et Athena Eyster du MIT, Adam Maloof de l’Université de Princeton et d’autres collègues d’institutions telles que l’Université Tufts et l’Université du Colorado à Boulder.
Un roulement lent
Aujourd’hui, le champ magnétique terrestre est alimenté par son noyau de fer en fusion, qui génère lentement des courants électriques dans une « dynamo » auto-génératrice. Le champ magnétique qui en résulte s’étend autour de la planète comme une bulle protectrice. Les scientifiques soupçonnent que, au début de son évolution, la Terre a été capable de favoriser la vie, en partie grâce à un champ magnétique précoce suffisamment puissant pour conserver une atmosphère propice à la vie et simultanément protéger la planète du rayonnement solaire nocif.
La date exacte et la robustesse de ce bouclier magnétique sont sujettes à débat, bien qu’il existe des preuves datant de son existence il y a environ 3,5 milliards d’années.
« Nous voulions voir si nous pouvions prolonger ce record au-delà de 3,5 milliards d’années et déterminer la force de ce premier champ », explique Nichols.
En 2018, alors qu’elle était postdoctorante dans le laboratoire de Weiss, Nichols et son équipe se sont lancés dans une expédition vers la ceinture supracrustale d’Isua, une étendue de 20 milles de formations rocheuses exposées entourées d’imposantes calottes glaciaires dans le sud-ouest du Groenland. Là, les scientifiques ont découvert les roches les plus anciennes préservées sur Terre, qui ont été étudiées de manière approfondie dans l’espoir de répondre à une multitude de questions scientifiques sur les conditions anciennes de la Terre.
Pour Nichols et Weiss, l’objectif était de trouver des roches qui détenaient encore la signature du champ magnétique terrestre lors de leur formation initiale. Les roches se forment sur plusieurs millions d’années, à mesure que les grains de sédiments et de minéraux s’accumulent et sont progressivement compactés et enfouis sous les dépôts ultérieurs au fil du temps. Tous les minéraux magnétiques tels que les oxydes de fer présents dans les gisements suivent l’attraction du champ magnétique terrestre au fur et à mesure de leur formation. Cette orientation collective, ainsi que l’empreinte du champ magnétique, sont conservées dans les roches.
Cependant, ce champ magnétique préservé peut être brouillé et complètement effacé si les roches subissent par la suite des événements thermiques ou aqueux extrêmes tels qu’une activité hydrothermale ou une tectonique des plaques qui peuvent pressuriser et écraser ces dépôts. Déterminer l’âge d’un champ magnétique dans des roches anciennes est donc un domaine d’étude très controversé.
Pour accéder aux roches qui, espérons-le, ont été préservées et inchangées depuis leur dépôt initial, l’équipe a prélevé des échantillons dans des formations rocheuses de la ceinture supracrustale d’Isua, un endroit éloigné accessible uniquement par hélicoptère.
« C’est à environ 150 kilomètres de la capitale, et vous êtes héliporté, juste contre la calotte glaciaire », explique Nichols. « Ici, vous avez essentiellement les roches les plus anciennes du monde, entourées de cette expression dramatique de la période glaciaire. C’est un endroit vraiment spectaculaire.
Historique dynamique
L’équipe est revenue au MIT avec des échantillons de roches entières de formations de fer en bandes – un type de roche qui apparaît sous la forme de bandes de roches riches en fer et en silice. Les minéraux d’oxyde de fer présents dans ces roches peuvent agir comme de minuscules aimants qui s’orientent avec n’importe quel champ magnétique externe. Compte tenu de leur composition, les chercheurs soupçonnent que les roches se sont formées à l’origine dans des océans primordiaux avant l’augmentation de l’oxygène atmosphérique il y a environ 2,5 milliards d’années.
« À l’époque où il n’y avait pas d’oxygène dans l’atmosphère, le fer ne s’oxydait pas si facilement. Il était donc en solution dans les océans jusqu’à ce qu’il atteigne une concentration critique, puis il précipitait », explique Nichols. « C’est donc essentiellement le résultat de la pluie de fer des océans et de son dépôt sur le fond marin. »
« Ce sont de très belles roches étranges qui ne ressemblent à rien de ce qui se forme sur Terre aujourd’hui », ajoute Weiss.
Des études antérieures avaient utilisé la datation uranium-plomb pour déterminer l’âge des oxydes de fer présents dans ces échantillons de roche. Le rapport uranium/plomb (U-Pb) donne aux scientifiques une estimation de l’âge d’une roche. Cette analyse a révélé que certains des minéraux magnétisés étaient probablement vieux d’environ 3,7 milliards d’années. L’équipe du MIT, en collaboration avec des chercheurs de l’Institut polytechnique Rensselaer, a montré dans un article publié l’année dernière que l’âge U-Pb date également de l’âge de l’enregistrement magnétique de ces minéraux.
Les chercheurs ont ensuite cherché à déterminer si les roches anciennes préservaient le champ magnétique à une telle distance et quelle aurait pu être la force de ce champ.
« Les échantillons que nous pensons être les meilleurs et qui portent cette très ancienne signature, nous les démagnétisons ensuite en laboratoire, par étapes. Nous appliquons un champ de laboratoire dont nous connaissons la force et nous remagnétisons les roches par étapes, afin que vous puissiez comparer le gradient de démagnétisation au gradient de magnétisation en laboratoire. Ce gradient vous indique la force de l’ancien champ », explique Nichols.
Grâce à ce processus minutieux de remagnétisation, l’équipe a conclu que les roches abritaient probablement un ancien champ magnétique vieux de 3,7 milliards d’années, d’une magnitude d’au moins 15 microtesla. Aujourd’hui, le champ magnétique terrestre mesure environ 30 microtesla.
« C’est la moitié de la force, mais le même ordre de grandeur », explique Nichols. « Le fait que sa force soit similaire à celle du champ actuel implique que ce qui alimente le champ magnétique terrestre n’a pas changé massivement en puissance au cours des milliards d’années. »
Les expériences de l’équipe ont également montré que les roches conservaient l’ancien champ, malgré deux événements thermiques ultérieurs. Tout événement thermique extrême, tel qu’un bouleversement tectonique du sous-sol ou des éruptions hydrothermales, pourrait potentiellement réchauffer et effacer le champ magnétique d’une roche. Mais l’équipe a découvert que le fer contenu dans leurs échantillons s’est probablement orienté, puis cristallisé, il y a 3,7 milliards d’années, lors d’un événement thermique initial extrême. Il y a environ 2,8 milliards d’années, puis à nouveau il y a 1,5 milliard d’années, les roches ont peut-être été réchauffées, mais pas à des températures extrêmes qui auraient brouillé leur magnétisation.
« Les roches que l’équipe a étudiées ont beaucoup souffert au cours de leur long voyage géologique sur notre planète », explique Annique van der Boon, chercheuse en sciences planétaires à l’Université d’Oslo qui n’a pas participé à l’étude. « Les auteurs ont fait beaucoup de travail pour déterminer quels événements géologiques ont affecté les roches à différents moments. »
« L’équipe a pris son temps pour livrer une étude très approfondie de ces roches complexes, qui ne livrent pas facilement leurs secrets », explique Andy Biggin, professeur de géomagnétisme à l’université de Liverpool, qui n’a pas contribué à l’étude. « Ces nouveaux résultats nous indiquent que le champ magnétique terrestre était bel et bien vivant il y a 3,7 milliards d’années. Savoir qu’il était là et fort contribue à une contrainte de frontière importante sur l’environnement de la Terre primitive.
Les résultats soulèvent également des questions sur la façon dont la Terre antique aurait pu alimenter un champ magnétique aussi puissant. Bien que le champ actuel soit alimenté par la cristallisation du noyau interne de fer solide, on pense que le noyau interne ne s’est pas encore formé si tôt dans l’évolution de la planète.
« Il semble que la preuve de ce qui générait un champ magnétique à l’époque était une source d’énergie différente de celle dont nous disposons aujourd’hui », explique Weiss. « Et nous nous soucions de la Terre parce qu’il y a de la vie ici, mais c’est aussi une pierre de touche pour comprendre les autres planètes telluriques. Cela suggère que les planètes de la galaxie disposent probablement de nombreux moyens d’alimenter un champ magnétique, ce qui est important pour la question de l’habitabilité ailleurs.
Cette recherche a été financée en partie par la Fondation Simons.
