Une nouvelle analyse des anciennes coulées de lave dans le Arctique canadien suggère que l’hélium piégé dans le noyau terrestre pourrait « s’infiltrer » lentement dans le manteau puis atteindre la surface – une idée qui remet en question la compréhension scientifique du fonctionnement interne de notre planète.
C’est la dernière preuve en date soutenant l’hypothèse selon laquelle des « réservoirs » primordiaux d’hélium et d’autres éléments étaient piégés dans Le noyau terrestre lorsque le jeune soleil et les protoplanètes se sont fusionnés à partir d’un nuage de gaz et de poussière il y a plus de 4,5 milliards d’années.
Les résultats « suggèrent que quelque part dans les parties les plus profondes de notre planète, les gaz sont préservés de la formation terrestre », explique l’auteur principal de la nouvelle étude. Forrest Hortongéochimiste à la Woods Hole Oceanographic Institution.
Les scientifiques peuvent avoir une idée de l’endroit où se trouve un atome de hélium est né de l’examen du nombre de neutrons dans son noyau, un chiffre qui distingue différentes espèces, ou isotopes, de l’élément. Par exemple, l’isotope hélium 3, qui possède deux protons et un neutron, a été fabriqué dans les étoiles et lors du Big Bang. Cet isotope est extrêmement rare sur Terre.
Pendant ce temps, l’hélium 4, qui constitue la majeure partie du gaz qui remplit les ballons de fête et aide à refroidir les appareils d’imagerie par résonance magnétique, possède deux protons et deux neutrons dans chaque noyau. Cet isotope est relativement courant sur Terre, où il se forme à partir de la désintégration radioactive naturelle de l’uranium et du thorium à l’intérieur de notre planète.
Pour la nouvelle étude, qui a été Publié dans Nature, Horton et ses collègues ont analysé des échantillons de coulées de lave vieilles de 62 millions d’années à l’est de l’île de Baffin, une île arctique de l’extrême nord du Canada recouverte de roches, de neige et de glace et habitée par des ours polaires. Les géologues étudient les laves depuis des décennies pour tenter d’en savoir plus sur le fonctionnement du manteau terrestre. Par exemple, dans une étude publiée en 2003, les chercheurs ont découvert pour la première fois niveaux anormalement élevés d’hélium 3, par rapport à hélium 4, dans les laves – le plus élevé jamais enregistré dans les roches de l’intérieur de la Terre et jusqu’à 50 fois le rapport dans l’atmosphère. Conformément aux théories géologiques dominantes, ils ont estimé que l’hélium 3 provenait probablement d’un réservoir d’hélium primordial situé dans le manteau, la couche intérieure de la Terre située sous la croûte.
À l’été 2018, l’équipe de Horton a décidé de reproduire ces résultats avec une expédition de deux semaines sur l’île de Baffin pour collecter des échantillons de lave. Dans les laboratoires de Woods Hole et du California Institute of Technology, les chercheurs ont analysé un minéral appelé olivine dans les échantillons contenant des poches microscopiques d’hélium gazeux. Ce gaz piégé avait un rapport encore plus élevé entre l’hélium 3 et l’hélium 4, qui était d’au moins 65 et jusqu’à 69 fois le rapport atmosphérique.
Des taux isotopiques élevés d’hélium se retrouvent également dans les roches volcaniques provenant d’autres points chauds du monde, comme Hawaï et les îles Galápagos, explique Horton. Cependant, les ratios dans les laves de l’île de Baffin sont environ deux fois plus élevés que ceux trouvés ailleurs.
Ces découvertes sans précédent ont suggéré à l’équipe de Horton que l’hélium ne provenait pas du manteau mais d’une source encore plus profonde : le noyau terrestre. Les laves contenaient d’autres éléments, tels que du néon, avec des rapports isotopiques suggérant qu’ils pourraient provenir du noyau, dit-il. Cette possibilité a des implications sur la formation de la Terre et d’autres planètes, y compris des exoplanètes autour d’autres étoiles.
Mais comment ce gaz primordial aurait-il atteint la surface de la Terre ? Horton suggère que l’hélium aurait pu s’échapper d’abord des parties extérieures du noyau de la planète vers le manteau voisin. Ensuite, l’hélium aurait pu s’élever dans un panache de roche flottant à l’intérieur du manteau qui aurait fondu au fur et à mesure de son ascension, de sorte que le magma résultant aurait finalement éclaté à la surface sous forme de lave.
Si tel est le cas, dit Horton, les résultats donnent aux géochimistes un rare aperçu des processus qui se produisent à la limite du noyau et du manteau terrestre, à près de 3 000 kilomètres sous nos pieds.
Les résultats pourraient également influencer la façon dont les scientifiques envisagent l’évolution de notre planète. Au cours des premiers stades de la formation de la Terre, l’hélium et d’autres gaz pourraient avoir été abondants dans le manteau rocheux. Mais Horton dit que l’hypothèse selon laquelle l’hélium fuit du noyau suggère que presque tout l’hélium initial a été perdu dans les parties rocheuses de notre planète au cours des étapes ultérieures du « mélange convectif » au sein du manteau, de sorte que le manteau pourrait être plus complètement mélangé qu’on ne le pensait auparavant. .
Horton prévient cependant qu’il ne s’agit pas encore d’une réponse définitive au débat en géochimie sur les origines de l’hélium terrestre et de ses autres gaz « nobles » ou non réactifs, parmi lesquels le néon et l’argon. Les géochimistes se demandent depuis longtemps si ces gaz provenaient de réservoirs primordiaux ou s’ils avaient été ajoutés après la formation de notre planète par l’irradiation du vent solaire ou par des météorites contenant de l’hélium.
Et même si les nouvelles preuves suggèrent que les gaz s’échappent du noyau, Horton note que cela n’a pas été absolument prouvé. « Je dirais qu’il y a encore beaucoup d’incertitude quant à savoir si l’hélium provient du cœur », dit-il.
Les experts sont divisés sur ce qu’ils peuvent conclure de l’étude. Classe Cornelia, géochimiste à l’Observatoire terrestre Lamont-Doherty de l’Université de Columbia, qui n’a pas participé à l’étude, pense qu’Horton est peut-être trop prudent. En fait, dit-elle, la dernière étude constitue « une très bonne preuve » de l’argument selon lequel l’hélium s’échappe du noyau.
Mais géochimiste Manuel Moreira de l’Observatoire des Sciences de l’Univers de l’Université d’Orléans en France, qui n’a pas non plus participé à l’étude, est plus équivoque. « L’hypothèse récurrente selon laquelle l’hélium est stocké et s’échappe ensuite du cœur reste spéculative », dit-il. « Cette étude apporte néanmoins une meilleure compréhension des origines des gaz rares sur Terre. »