Des gaz piégés dans des minéraux vieux de plusieurs milliards d'années révèlent l'origine et l'évolution primitive de l'atmosphère terrestre

La Terre s'est formée il y a environ 4,54 milliards d'années. A cette époque, notre planète était probablement dépourvue d'éléments volatils à cause de sa position proche du Soleil. La présence d'océans et d'une atmosphère à la surface de notre planète démontre que des éléments volatils ont été apportés par le gaz solaire, les astéroïdes riches en volatils ou par les comètes. Cependant, de nombreux évènements ultérieurs (la formation du noyau, la différenciation du manteau, la subduction de la croûte dans le manteau ou encore les fuites atmosphériques) ont modifié les quantités d'éléments volatils terrestres. Il est donc difficile de lier l'atmosphère actuelle aux potentielles sources du système solaire.

Les gaz rares, dont le xénon et ses neuf isotopes, sont inertes et permettent de suivre des processus physiques sans avoir à considérer les réactions chimiques à l'œuvre dans les différentes enveloppes terrestres. Certains isotopes du xénon comme le ¹²⁹Xe sont également produits par décroissance radioactive d'éléments tels que le ¹²⁹I. Ces excès "radiogéniques" permettent alors d'apporter des contraintes temporelles aux différents processus physiques évoqués ci-dessus. Le xénon de l'atmosphère actuelle présente une composition isotopique qui ne peut être issue d'une source solaire ou astéroïdale. De plus, il est appauvri dans l'atmosphère et présente un fractionnement isotopique par rapports aux autres composantes du système solaire. Ces deux caractéristiques sont regroupées sous le terme de "paradoxe du xénon". De précédentes études ont déjà identifié du xénon âgé de 3.5 milliards d'années dans des roches anciennes, qui présente une composition différente de l'atmosphère moderne.

Dans cette étude-ci, les chercheurs ont mesuré la composition isotopique des gaz rares (Ar, Kr et surtout Xe) des inclusions fluides contenues dans des échantillons de quartz provenant de carottes forées dans la ceinture de roches vertes de Barberton (Afrique du Sud). Ces cristaux de quartz forment des veines de plusieurs centimètres à plusieurs mètres, liées à la circulation de fluides contenant des gaz atmosphériques dissouts. Les scientifiques ont irradié certains de ces échantillons afin de relier leur contenu en argon 40 (⁴⁰Ar) à leur contenu en potassium 40 (⁴⁰K) radioactif. De nouvelles méthodes de purification ainsi que de nouveaux instruments à la pointe de la technologie ont permis aux chercheurs de mesurer à haute précision la composition isotopique du xénon ancien piégé dans ces cristaux.

Les échantillons analysés dans cette étude contiennent un excès de ⁴⁰Ar par rapport à l'atmosphère moderne. Ce surplus est en partie lié à la décroissance radioactive du ⁴⁰K pendant 3,3 milliards d'années. Ce résultat donne alors l'âge de piégeage des fluides. Une partie de cet argon provient également de l'atmosphère ancienne, résultat confirmé par l'équipe grâce à de précédentes recherches. Le reste d'argon provient de la circulation de fluides riches en Ar à cause de leur interaction avec la croûte terrestre.

Dans les quartzs de Barberton, le xénon âgé de 3,3 milliards d'années a une composition isotopique bien différente du xénon de l'atmosphère moderne. Dans les mêmes échantillons, le krypton ne présente pas d'anomalies isotopiques, ce qui suggère que la composition originelle des gaz n'a pas été modifiée lors ou après leur piégeage. Le xénon Archéen (3,3 Ga) présente un excès en isotopes légers et un appauvrissement en isotopes lourds par rapport à l'atmosphère moderne. Cela montre une évolution sur le long terme de la composition isotopique du xénon atmosphérique. Le mécanisme responsable de cette évolution demeure mystérieux mais permet tout de même une meilleure compréhension du paradoxe du xénon. L'une des explications possibles de ce phénomène impliquerait une ionisation partielle du xénon dans la haute atmosphère, une possible interaction avec la matière organique en suspension et la fuite de la fraction restante.

La grande précision des mesures prises par les chercheurs leur permet d'éliminer définitivement les sources astéroïdales ou solaires comme précurseurs du xénon atmosphérique, qui provient d'une source différente appelée le U-Xe (Xénon U), théorisée en 1976. Les comètes sont susceptibles d'avoir apporté ce xénon à l'atmosphère terrestre puisque ces objets sont riches en gaz rares.

Enfin, le xénon archéen présente un léger appauvrissement en xénon 129 par rapport à l'atmosphère moderne. Cet isotope du xénon était produit au tout début de l'histoire de la Terre par décroissance radioactive de l'iode 129 (¹²⁹I) dans le manteau terrestre et par dégazage subséquent du xénon produit. L'équipe a calculé que le taux de dégazage du manteau terrestre dans l'atmosphère a dû être environ 4 fois plus intense qu'aujourd'hui pendant les 3,3 derniers milliards d'années pour expliquer cette anomalie.

L'étude des gaz piégés dans les roches très anciennes ouvre de nouvelle perspective pour comprendre l'origine et l'évolution des éléments volatils terrestres, qui sont des facteurs clefs de l'habitabilité de notre planète.