Fiche

L'oxygène des zircons hadéens : ce que mesurent Wilde et Mojzsis (2001), et ce qu'on leur a objecté

Les rapports ¹⁸O/¹⁶O mesurés dans les zircons détritiques de plus de 4 Ga des Jack Hills, la valeur de référence du manteau, le raisonnement qui en tire une eau liquide de surface, et les critiques publiées depuis (altération, zonage, domaines analysés, inclusions), avec la réponse de Valley.

Sert : La Terre et la Lune · L'eau, les océans et l'air

établi zircon de 4 404 ± 8 Ma ; δ¹⁸O de ce grain zoné de 7,4 à 5,0 ‰ ; zircon en équilibre avec le manteau ≈ 5,3 ‰ ; δ¹⁸O plus élevé que le manteau dans une partie des grains hadéens ; Mojzsis : 5,4 à 15,0 ‰ sur des grains de 3 910 à 4 280 Ma ; une partie des grains altérés
débattu existence d'océans dès 4,4 Ga ; valeurs extrêmes (15 ‰, 10,3 ‰) primaires ou secondaires ; fiabilité des domaines analysés ; Nemchin 2006 : valeurs dans le champ du manteau ; Hoskin 2005 : fluide éphémère plutôt qu'océan permanent ; inclusions magmatiques ou métamorphiques
récent hors du champ : la fiche s'arrête vers 2011, sans la littérature postérieure
hypothèse Terre primitive froide (Valley 2002) ; eau liquide au moins intermittente entre 4,4 et 4,0 Ga ; température de l'altération inférieure à 200 °C
projeté sans objet

Écrite pour répondre à une question : Que mesurent exactement Wilde et al. (2001) et Mojzsis et al. (2001) dans l'oxygène des zircons hadéens des Jack Hills, pourquoi un excès de ¹⁸O implique-t-il une eau liquide à basse température, et que vaut cette inférence face aux critiques ?


1. Ce qu'on mesure : un rapport isotopique dans un grain

Les zircons des Jack Hills (Australie occidentale) sont des grains détritiques : ils ont été arrachés à des roches disparues puis déposés dans des sédiments bien plus jeunes. Mojzsis et al. les décrivent comme des zircons de plus de 4 Ga « found within 3-Gyr-old quartzitic rocks » Mojzsis 2001. On ne connaît donc pas la roche-mère ; tout ce qu'on dit d'elle est déduit du grain. La fiche de-la-nebuleuse-a-la-terre (section 6) rappelle qu'on date des minéraux de 4,4 Ga, pas des roches.

Sur chaque grain, la sonde ionique mesure deux choses en des points de quelques dizaines de micromètres : l'âge uranium-plomb et le rapport ¹⁸O/¹⁶O. Ce rapport s'exprime en δ¹⁸O, l'écart en pour mille (‰) à l'étalon de l'eau de mer moyenne (VSMOW) valley2002gold. Le zircon retient bien son oxygène d'origine : Trail et al. le citent, avec le plomb et l'hafnium, parmi les « robust repositories » de l'information isotopique, à condition qu'il ne soit pas métamicte, c'est-à-dire abîmé par sa propre radioactivité Trail 2007.

2. Wilde et al. 2001 : un grain, et un δ¹⁸O de 5,0 à 7,4 ‰

Wilde et al. rapportent un zircon détritique « with an age as old as 4,404 ± 8 Myr », plus vieux d'environ 130 Ma que tout grain terrestre connu jusque-là Wilde 2001. L'oxygène n'y est pas homogène : le grain est zoné, « δ18O values from 7.4 to 5.0‰ », ce que les auteurs lisent comme la trace d'une source magmatique qui évoluait pendant la croissance du cristal Wilde 2001.

Il ne faut pas confondre deux chiffres. Les 5,0–7,4 ‰ sont mesurés dans le zircon. À partir de ces valeurs, de la chimie évoluée du grain et de micro-inclusions de SiO₂ (quartz), les auteurs calculent que le magma parent était un granite d'un δ¹⁸O de 8,5 à 9,5 ‰ Wilde 2001. Leur conclusion : de tels rapports « point toward the involvement of supracrustal material that has undergone low-temperature interaction with a liquid hydrosphere », et le grain serait « the earliest evidence for continental crust and oceans on the Earth » Wilde 2001.

Un an plus tard, Valley et al. élargissent la mesure à une série de grains des Jack Hills : leurs δ¹⁸O vont aussi de 5,0 à 7,4 ‰, une gamme identique à celle des zircons archéens plus jeunes ; quatre cristaux seulement sont au-dessus des valeurs des magmas mantelliques valley2002gold Valley 2002.

3. Mojzsis et al. 2001 : une gamme plus large, jusqu'à 15 ‰

Publié dans le même numéro de Nature, l'article de Mojzsis, Harrison et Pidgeon porte sur des grains de 3 910 à 4 280 Ma. Ils trouvent des δ¹⁸O « ranging from 5.4 ± 0.6‰ to 15.0 ± 0.4‰ » Mojzsis 2001. Ils en déduisent que les zircons d'environ 4 300 Ma se sont formés dans des magmas contenant une part importante de croûte continentale retravaillée, formée en présence d'eau près de la surface. Leur conclusion est prudente : les données sont « consistent with the presence of a hydrosphere interacting with the crust by 4,300 Myr ago » Mojzsis 2001.

La valeur extrême de 15 ‰ ne vient pas d'un cœur magmatique. Trail et al., dont Mojzsis est coauteur, la situent en 2007 dans « a discordant overgrowth of a Hadean Jack Hills zircon » Trail 2007 : une surcroissance, d'âge uranium-plomb perturbé. C'est exactement le genre de domaine que les critiques de la section 6 jugent peu fiable.

4. La référence : le zircon en équilibre avec le manteau, ≈ 5,3 ‰

Pour dire qu'un zircon est « enrichi », il faut une référence. C'est le δ¹⁸O d'un zircon cristallisé dans un magma issu directement du manteau. Valley, Cavosie et Wilde l'écrivent « 5.3±0.6 » valley2006gold ; Trail et al. le citent comme « +5.3 ± 0.3‰ » d'après Valley (2003) Trail 2007. Les deux écritures désignent la même valeur centrale. L'incertitude de ± 0,6 ‰ correspond probablement à deux écarts-types et celle de ± 0,3 ‰ à un seul, mais la convention de chaque auteur n'a pas été vérifiée dans le texte.

Le sens de l'écart est donc un excès de ¹⁸O : les grains hadéens qui comptent ont un δ¹⁸O plus élevé que 5,3 ‰. Dans les domaines jugés intacts, Valley et al. trouvent 6,3 à 7,5 ‰ valley2006gold, soit 1 à 2 ‰ au-dessus du manteau. L'écart est petit en valeur absolue, mais il dépasse la gamme du manteau (5,3 ± 0,6 ‰ va jusqu'à 5,9 ‰) et l'incertitude de mesure. Il n'est pas commun à tous les grains : une partie des zircons hadéens tombe dans la gamme du manteau valley2002gold cavosie2005gold.

5. Pourquoi un excès de ¹⁸O désigne une eau liquide froide

L'inférence se fait en quatre pas.

  1. Le zircon hérite du magma. Le zircon a un δ¹⁸O lié à celui du magma par un facteur de fractionnement connu par l'expérience ; on peut donc remonter du grain au magma Trail 2007. C'est ainsi que Wilde et al. passent de 5–7,4 ‰ à un granite de 8,5–9,5 ‰ Wilde 2001.
  2. Un magma lourd en ¹⁸O a fondu une roche lourde en ¹⁸O. La fusion ne crée pas cet excès. Un magma enrichi vient d'une roche-source déjà enrichie : selon Valley et al., le magma s'est formé par « burial and melting of protoliths elevated in δ18O » valley2002gold.
  3. Ce qui enrichit une roche en ¹⁸O, c'est l'eau à basse température. La roche-source a été enrichie « by interaction with low temperature fluids near the surface of the Earth (i.e., hydrothermal alteration, diagenesis, or weathering) » valley2002gold. Valley et al. donnent un ordre de grandeur : avec une hydrosphère comparable à l'actuelle, « temperatures are indicated below 200°C » valley2002gold. Trail et al. sont encore plus nets : le seul système naturel qui puisse imprimer une telle signature est « liquid water interacting with crust at or near Earth's surface » Trail 2007.
  4. L'eau chaude ferait l'inverse. Une altération hydrothermale à haute température abaisse le δ¹⁸O : des zircons issus de rhyolites refondues de Yellowstone descendent à −0,4 ‰ Trail 2007. Valley et al. ajoutent que, dans la croûte océanique jeune comme sur la Lune, sans altération froide, aucun zircon ne dépasse 6,3 ‰ valley2006gold.

Le principe physique sous-jacent relève du raisonnement et n'est pas développé dans les sources lues ici : l'écart isotopique entre l'eau et un minéral qui s'équilibrent grandit quand la température baisse. Une argile formée à froid s'enrichit donc beaucoup en ¹⁸O ; une roche qui échange à 600 °C reste proche du manteau.

Le dernier pas est une inférence sur une roche disparue, et chaque étape suppose que le δ¹⁸O mesuré est bien celui du zircon magmatique d'origine. C'est ce maillon que visent les critiques.

6. Les objections

Altération et fluides tardifs (Hoskin 2005)

Hoskin a comparé des zircons magmatiques et hydrothermaux d'un pluton australien. Il observe que le grain de 4,4 Ga (W74/2-36) montre deux types de spectres de terres rares à l'échelle de 50 µm, « a phenomenon not yet reported for unaltered magmatic zircon » Hoskin 2005. Il interprète les spectres de type 2 comme une composition magmatique altérée par voie hydrothermale. Ils traduiraient un échange local avec un fluide riche en terres rares légères et lourd en oxygène (« ∼6–10‰ or higher ») Hoskin 2005. L'échange aurait eu lieu entre un zircon partiellement métamicte et « a low volume ephemeral fluid ». Hoskin en conclut que l'indice d'une eau primitive n'exige pas forcément des océans permanents Hoskin 2005. L'objection ne nie pas l'eau ; elle en réduit l'ampleur et brouille le lien entre le grain et son magma.

Zonage, recristallisation et choix des domaines (Cavosie et al. 2005)

La réponse du groupe de Valley consiste à trier les domaines. On image chaque grain en cathodoluminescence, on place les points de mesure de l'âge, de l'oxygène et des traces au même endroit, et on écarte les zones au zonage perturbé. D'après la synthèse de Valley et al., des domaines intacts existent sur environ 90 % des zircons analysés ; ils y trouvent 6,3 à 7,5 ‰ valley2006gold. Selon Cavosie et al., les zircons à zonage interne perturbé donnent des valeurs au-dessous (4,6 ‰) comme au-dessus (10,3 ‰) de la gamme magmatique. Ces valeurs seraient « unreliable indicators » de la chimie des magmas, alors que les valeurs magmatiques préservées vont de 5,3 à 7,3 ‰ Cavosie 2005. Ce tri a une conséquence : les valeurs extrêmes, dont les 15 ‰ de Mojzsis, ne servent plus d'argument.

Il en a une seconde, moins citée. Pour Cavosie et al., un δ¹⁸O « mildly elevated » existe dès 4 325 Ma, mais c'est une hausse d'environ 1 ‰, jusqu'à 7,3 ‰, vers 4 200 Ma qui fournit « strong evidence » d'un recyclage de roches de surface et « the first evidence for the presence of liquid water on Earth » cavosie2005gold. Ils placent le début des conditions froides vers 4 200 Ma cavosie2005gold. Dans ces travaux, la preuve la plus solide est donc postérieure de 200 Ma au grain de 4,4 Ga.

Valeurs mantelliques (Nemchin et al. 2006)

Nemchin, Pidgeon et Whitehouse ont analysé huit zircons de plus de 4,2 Ga. Ils décrivent une longue histoire de croissance complexe, de réactions secondaires et de perturbation du système uranium-plomb entre 4,36 et 3,90 Ga, puis une réaction récente entre zircon irradié et fluides froids Nemchin 2006. D'après le résumé qu'en donnent Trail et al., leurs δ¹⁸O tombaient pour l'essentiel dans le champ du manteau. Nemchin et al. jugeaient donc les preuves insuffisantes pour une « cool early Earth » entre 4,4 et 4,0 Ga. Rapprochant ces résultats de zircons lunaires, ils concluaient que l'oxygène des zircons ne prouve pas à lui seul des interactions entre croûte et hydrosphère avant 4,0 Ga Trail 2007.

Les inclusions (Rasmussen et al. 2011)

Wilde et al. appuyaient le caractère granitique du magma sur des micro-inclusions de quartz Wilde 2001. Rasmussen et al. ont daté des inclusions de monazite et de xénotime dans des zircons des Jack Hills de 4,25 à 3,35 Ga. Selon eux, ces inclusions ne sont pas magmatiques : elles se seraient formées lors de métamorphismes à 2,68 ou 0,8 Ga, entre 420 et 475 °C Rasmussen 2011. L'objection porte sur les inclusions, pas directement sur l'oxygène. Elle rappelle pourtant qu'un grain de 4,4 Ga a traversé quatre milliards d'années d'histoire.

7. La réponse de Valley : une « Terre primitive froide », mais modérée

En 2002, Valley et al. tirent l'hypothèse de la Terre primitive froide (« cool early Earth »). Ils jugent que la meilleure interprétation de ces résultats est que « liquid water existed on the surface of the Earth at least intermittently from 4.0–4.4 Ga » valley2002gold. La Terre se serait donc refroidie vite après l'accrétion et la formation de la Lune et du noyau. Le bombardement météoritique aurait aussi décliné plus vite qu'on ne le pensait valley2002gold. Ils notent eux-mêmes que l'incertitude reste « considerable » sur bien des aspects de cette époque valley2002gold.

En 2006, face à Nemchin et à ceux qui en concluaient à une tectonique des plaques dès 4,5 Ga, Valley, Cavosie et Wilde défendent une « more moderate proposal ». Selon eux, de la croûte granitique s'est formée dès 4,4 Ga et des océans d'eau liquide existaient dès 4,2 Ga valley2006gold. Ils fixent aussi la méthode : les grains aux valeurs extrêmes doivent être « fully documented for zoning and heterogeneity », car « Strong conclusions require strong evidence » valley2006gold. Le groupe de Harrison et Mojzsis va plus loin et voit dans les δ¹⁸O, les températures du titane (~680 °C) et les terres rares un cycle des roches évolué, avec eau et recyclage de sédiments, « within the first 150 million years » Trail 2007. La fiche de-la-nebuleuse-a-la-terre reprend cet ordre de grandeur (eau liquide dès ≳ 150 Ma après le t = 0) d'après Lichtenberg et al. Lichtenberg 2023.

8. Ce que tient l'argument, étape par étape

Pour un océan à 4,4 Ga, l'indice est donc faible ; pour de l'eau liquide en surface vers 4,3–4,2 Ga, il est sérieux, et les deux groupes rivaux de Valley et de Harrison s'y rejoignent. La fiche ne couvre pas les travaux postérieurs à 2011 (isotopes du lithium, analyses plus fines de l'altération) : c'est une limite de la recherche faite ici.

Ce que le livre peut en tirer

Pour l'essai (^94b9, les quatre étapes). 1. On mesure dans le zircon un δ¹⁸O de 5,0 à 7,4 ‰ (grain de 4 404 Ma, zoné). 2. Le zircon du manteau vaut ≈ 5,3 ‰ (± 0,6) : l'écart est un excès de ¹⁸O de 1 à 2 ‰, petit mais au-delà de la gamme du manteau. 3. Le magma parent, calculé, valait 8,5 à 9,5 ‰ ; seule une roche-source enrichie peut l'expliquer. 4. Ce qui enrichit une roche en ¹⁸O, c'est l'eau liquide froide (altération, diagenèse, météorisation, au-dessous de ~200 °C), car l'eau chaude appauvrit.

À chaque étape, l'objection correspondante : - la mesure est fiable si le domaine est intact (Cavosie : 4,6 et 10,3 ‰ dans des domaines perturbés ; les 15 ‰ de Mojzsis viennent d'une surcroissance discordante) ; - la référence n'est pas discutée ; - le lien au magma est contesté (Hoskin : fluide tardif ; Nemchin : valeurs mantelliques ; Rasmussen : inclusions métamorphiques) ; - le lien à l'eau est accepté, mais pour quelle quantité d'eau (Hoskin : un fluide « éphémère ») ?

Contresens à éviter. - Ne pas écrire que le zircon « contient de l'eau » ou « montre un océan » : il porte la trace d'une roche disparue, altérée par de l'eau. - Ne pas confondre 7,4 ‰ (zircon) et 8,5–9,5 ‰ (magma calculé). - Ne pas dire que tous les zircons hadéens sont enrichis : beaucoup sont dans la gamme du manteau, et Valley 2002 n'en comptait que quatre au-dessus. - Ne pas donner les 15 ‰ de Mojzsis comme une valeur magmatique.

Ce qu'on peut écrire. « De l'eau liquide, au moins par intermittence, vers 4,3–4,2 Ga » est défendable. « Des océans dès 4,4 Ga » est l'interprétation maximale de Wilde et al. 2001, que ses propres auteurs ont ramenée en 2005–2006 à « des océans dès 4,2 Ga ». Pour le récit, une image juste : un grain de sable plus vieux que toute roche, qui se souvient d'une pierre ayant trempé dans une eau froide.

À vérifier avant publication. - Cavosie et al. 2005 (EPSL) n'a été lu que par un extrait de moteur de recherche (deux tentatives refusées) ; le contenu est recoupé par les résumés Goldschmidt 2005 et 2006, lus. - Valley et al. 2002 (Geology) a été lu par le résumé Goldschmidt 2002, mêmes chiffres. - Rasmussen et al. 2011 n'a pas été lu (403). - Nemchin et al. 2006 a été lu en partie ; sa position est rapportée par Trail et al. - La convention 1σ/2σ de ± 0,3 et ± 0,6 ‰ reste à confirmer. - La fiche de-la-nebuleuse-a-la-terre peut maintenant citer Mojzsis 2001 et chiffrer sa phrase.

Voisines

Sources

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De la nébuleuse à la Terre : premiers solides, planètes, Lune, océans et oxygène, et comment on les dateImpacts et océans : ce que les modèles disent d'un océan hadéen frappé par un gros astéroïdeL'eau cachée : ce que contiennent le manteau et le noyau, et ce que les impacts géants ont pu emporterLa vie et l'humanité : de quoi nous sommes faits, depuis quand la Terre vit, et ce que tiennent les dernières secondes de décembre