C'est seulement au cours de l'année 1913 que l'on a commencé à prendre conscience de l'existence des isotopesisotopes d'un même élément, d'une part avec le radiochimisteradiochimiste et futur prix Nobel Frederick Soddy pour ses travaux sur les transformations radioactives et d'autre part avec le physicienphysicien Joseph John Thomson, le découvreur de l'électronélectron, dans le cas des éléments stables. C'est Soddy qui a introduit le terme d'isotope pour indiquer que plusieurs noyaux pouvaient représenter un même élément chimiqueélément chimique dans une même place du tableau de Mendeleïevtableau de Mendeleïev. Le terme isotope est formé à partir des racines grecques iso (égal) et topos (lieu), signifiant « le même endroit ». C'est le compatriote britannique de Soddy et Thomson, Francis William AstonFrancis William Aston, qui va montrer dans les années suivantes toute l'étendue de l'existence des isotopes grâce au spectromètrespectromètre de massemasse dont il est l'un des principaux inventeurs avec Arthur Jeffrey Dempster et Thomson.

Les isotopes vont révolutionner la géologie et l'archéologie, non seulement parce qu'ils vont permettre de faire des datations, par exemple avec la méthode du carbone 14, mais aussi parce que l'on peut s'en servir pour faire de la paléothermométrie et reconstituer les températures des climats anciens.

L'oxygène 18, le thermomètre des climats anciens

L'oxygène existe sous forme de trois isotopes, contenant de plus en plus de neutronsneutrons lorsque l'on passe de ¹⁶O à ¹⁸O. L'oxygène 18 est particulièrement intéressant bien qu'il ne soit pas le plus abondant (l'oxygène 16 étant le plus abondant). On peut montrer en effet que le rapport des abondances de ¹⁸O sur ¹⁶O peut être utilisé comme paléothermomètre de la température des océans via l'existence des Foraminifères benthiquesbenthiques (des ProtozoairesProtozoaires qui vivent au fond des océans et qui synthétisent une coquille carbonatée dont la composition isotopique en oxygène dépend de celle de l'eau et de sa température). Il est aussi aussi possible d'utiliser les cherts, des sédiments siliceux comme le fameux silex. Si nous connaissons la composition de l'eau et des sédiments océaniques carbonatées à une époque donnée, nous pouvons donc en déterminer la température.

Unité de lithosphère océanique (serpentinites et gabbros) obductée à proximité de la localité marocaine d’Aït Ahmane (ophiolite de Bou Azzer, Anti-Atlas) et exemple de veine de magnétite massive observable au sein des serpentinites hydrothermalisées de l’unité. Ces veines de magnétite, qui constituent avec les serpentinites les vestiges d’un système hydrothermal sous-marin néoprotérozoïque, sont les cibles de l’étude isotopique. © Florent Hodel, université Toulouse III – Paul Sabatier

Mais comment connaître celle de l'eau quand la Terre était plus jeune de centaines de millions d'années, voire de milliards ? La géochimie nous donne des réponses. En l'occurrence des veines de magnétitemagnétite, un oxyde de ferfer précipité à partir d'un fluide hydrothermal dérivé de l'eau de mer, et que l'on a découvert dans des vestiges de fumeurs noirs, des sources hydrothermalessources hydrothermales sous-marines découvertes dans des ophiolitesophiolites (des fragments de lithosphèrelithosphère océanique âgée de 760 millions d'années affleurant dans l'Anti-Atlas marocain, comme ceux du massif du Chenaillet dans les Alpes ou encore en Oman, tel que l'explique le célèbre ouvrage Les Montagnes sous la mer d'Adolphe Nicolas). C'est en effet ce que vient de faire savoir avec un article publié dans Nature Communications des chercheurs du laboratoire Géosciences environnement Toulouse (GET/OMP - CNRS/IRDIRD/CNESCNES/UT3 Paul Sabatier) et de l'Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) de l'université de São Paulo au Brésil.

Des océans de 15 à 30 °C plus chauds au Néoprotérozoïque

L'étude des caractéristiques des veines de magnétite a permis d'établir que le rapport des abondances de ¹⁸O sur ¹⁶O dans l'eau de l'océan, où les fumeurs noirsfumeurs noirs étaient actifs, était comparable à celui des océans actuels, ce qui permet d'étalonner les paléothermomètres sédimentaires. Les chercheurs en ont tiré la conclusion que les océans du NéoprotérozoïqueNéoprotérozoïque, la troisième et dernière ère du ProtérozoïqueProtérozoïque qui s'étend d'il y a un milliard d'années à 542 millions d'années, étaient probablement de 15 à 30 °C plus chauds que les océans actuels il y a 760 millions d'années. Pour mémoire, la température moyenne des océans actuels est d'environ 17,5 °C avec un maximum de 27-28 °C dans les océans tropicaux et un minimum de -1,8 °C dans les eaux polaires.

L'information est intéressante, car elle pourrait nous aider à mieux comprendre ce qui s'est passé à ce moment-là, quelques dizaines de millions d'années avant que ne commence la fameuse grande glaciation du Cryogénien qui a donné lieu à l'hypothèse de la Terre-boule-de-neige (Snowball Earth). L'histoire de la biosphèrebiosphère est aussi concernée puisque le CryogénienCryogénien est suivi de la fameuse explosion cambrienne.

L'océan, un jour, a failli bouillir

Article du Cnrs publié le 31/10/2006

La température des océans au PrécambrienPrécambrien (3.5 milliards d'années) est sujette à controverse. Des chercheurs du Laboratoire d'étude de la matièrematière extraterrestre (Muséum national d'histoire naturelleMuséum national d'histoire naturelle) et du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CNRS) ont cherché à reconstituer la température de ces océans en mesurant conjointement les compositions isotopiques de l'oxygène et du siliciumsilicium dans des silex anciens. Leurs conclusions, confortent une hypothèse datant des années 70 et jamais confirmée depuis : celle d'un océan très chaud (60 - 80°C) il y a 3.5 milliards d'années.

La Terre a connu dans son histoire de nombreux changements climatiqueschangements climatiques de grande ampleur qui semblent avoir été les plus rigoureux au cours des premiers milliards d'années de son histoire. C'est donc à partir de -3.5 milliards d'années, datation des premiers sédiments océaniques correctement préservés, que l'histoire des océans est enregistrée dans les roches sédimentairesroches sédimentaires.

Silex stromatolithique de 3,5 milliards d'années. © François Robert LEME / MNHN

L'astrophysiqueastrophysique nucléaire permet de retracer avec précision l'évolution thermique des étoilesétoiles et nous a dévoilé l'un des grands paradoxes de l'histoire climatique de la Terre : notre SoleilSoleil avait, il y a 4 milliards d'années, une luminositéluminosité de l'ordre de 25% plus faible qu'aujourd'hui.

Dans ces conditions, la Terre aurait dû être complètement gelée, ce qui est en contradiction avec les enregistrements géologiques. Dés 1973, des chercheurs américains avaient tenté d'évaluer la température des océans précambriens (entre 3.5 et 0.5 milliards d'années) à partir des compositions isotopiques de l'oxygène des silex, qui figurent parmi les sédiments de la terre les plus vieux et les mieux préservés. Leurs résultats attestent d'un refroidissement progressif des océans (entre 70 et 30°C) à partir de 3,5 milliards d'années avant notre ère. Cependant, ces conclusions étaient contestées car il existe fréquemment un réajustement de la composition isotopique en oxygène des silex, lors de variations de température secondaires au dépôt.

Silex du Groupe Jixian (Chine) d'âge protérozoïque (1,4 milliard d'années). La photo présente une lame mince de 30 micromètres d'épaisseur observée au microscope optique polarisant. Le champ d'observation, de 80 micromètres par 60 micromètres, révèle du quartz microcristallin qui est supposé avoir au mieux conservé les valeurs isotopiques des conditions de formation du silex il y a 1,4 milliards d'années et du quartz radiaire qui est le produit de remobilisation et de recristallisation de silice secondaire. Les caractéristiques techniques de la sonde ionique permettent d'analyser de façon spécifique les deux espèces de quartz. © Marc Chaussidon CRPG/CNRS

Les silex sont essentiellement constitués de silicesilice (1 atomeatome de silicium pour 2 atomes d'oxygène). Aujourd'hui, des chercheurs du Laboratoire d'étude de la matière extraterrestre (Muséum national d'histoire naturelle) et du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CNRS) viennent de reconstituer la température des océans précambriens en mesurant conjointement les compositions isotopiques de ces deux éléments dans des silex anciens, à l'aide de la sonde ionique du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques de Nancy. Parce que la solubilité du silicium dans l'eau est très faible, sa composition isotopique est a priori beaucoup plus résistante que celle de l'oxygène aux altérations secondaires du silex. Les compositions isotopiques du silicium des silex montrent des variations isotopiques très importantes au Précambrien, variations qui n'ont pas d'équivalent au Phanérozoique (entre 0.5 milliards d'années et aujourd'hui).

En faisant l'hypothèse que les températures les plus froides déduites des isotopes de l'oxygène correspondaient bien à celles des océans (environ 30°C il y a 800 millions d'années), les chercheurs ont proposé une reconstitution du cycle isotopique du silicium dans les océans précambriens. Ce cycle dépend de la température de l'eau de mer et induit des variations couplées entre les deux systèmes isotopiques. Entre 3,5 et 0,5 milliards d'années, les variations de températures déduites des isotopes du silicium correspondent bien aux bouleversements déjà identifiés dans l'histoire de la Terre à partir des isotopes de l'oxygène. L'hypothèse d'un océan très chaud (60-80°C) vers 3,5 milliards d'années ressort donc singulièrement confortée.