Une météorite martienne lève le voile sur la formation des continents terrestres

Quelle est la composition de cette météorite, et en quoi cela bouleverse-t-il ce que nous pensions concernant la formation de Mars ?

La météorite NWA7533 et toutes les météorites provenant de la même chute, plus connues sous le nom générique de "Black Beauty", diffèrent de toutes les autres roches d’origine martienne à notre disposition. Il s’agit d’une "brèche d’impact" : une roche consolidée à la suite d’un ou plusieurs impacts à la surface de Mars et formée de l’agglomération de fragments de roches préexistantes. Les fragments rocheux et les poussières interstitielles qui constituent cette roche peuvent avoir des origines très variées et apporter des informations sur les différents processus géologiques à l’œuvre.

Alors que toutes les autres météorites martiennes échantillonnent des terrains de nature basaltique (riches en fer et en magnésium, proches des laves constitutives de la croûte océanique terrestre), certains des fragments rocheux constitutifs de Black Beauty ont des compositions chimiques plus riches en silice. Ces compositions chimiques les rapprochent de celle des continents terrestres, ceux-ci étant constitués de roches moins denses que les basaltes et qui, "insubmersibles", "flottent" sur la croûte océanique.

On a longtemps cru que la surface de Mars était essentiellement basaltique et peu renouvelée puisque, en raison de sa petite taille, la planète n'a pas développé de tectonique des plaques. L’idée d’une surface uniformément basaltique de Mars avait cependant été remise en cause au cours de la dernière décennie par les découvertes de roches martiennes plus riches en silice que des basaltes, à la fois dans la météorite Black Beauty et in situ dans le cratère Gale par le rover Curiosity. Par ailleurs, une étude récente a montré, sur la base d’arguments géomorphologiques, qu’il existe dans l’hémisphère sud de Mars une zone plus épaisse qui pourrait correspondre à un continent caché1.

Notre étude permet de franchir une nouvelle étape décisive : parmi les fragments rocheux de Black Beauty, nous avons découvert une population de fragments contenant un minéral composé de silice pure : le quartz, minéral qui est caractéristique des granites qui forment les continents terrestres. Ainsi, des granites analogues à ceux qui constituent les continents terrestres sont présents à la surface de Mars !

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  Dans une étude antérieure, des membres de notre équipe ont contribué à identifier le cratère d’impact qui a éjecté Black Beauty dans l’espace. Ce cratère se trouve précisément en bordure du continent caché mis en évidence dans l’hémisphère sud de Mars.

En quoi la découverte de granites martiens peut-elle donner un aperçu de la Terre à ses origines et de son évolution géologique ?

L’âge des fragments rocheux contenus dans Black Beauty a pu être mesuré grâce aux méthodes de la radiochronologie 2. Ces fragments rocheux ont cristallisé il y a environ 4,44 milliards d’années, à une époque où la construction de la Terre n’était peut-être même pas encore achevée 3. Nous ne disposons d'aucune roche terrestre aussi ancienne. La croûte océanique étant constamment renouvelée par le jeu de la tectonique des plaques, c’est dans les continents insubmersibles que l’on recherche les plus vieilles roches terrestres préservées. Les plus anciennes roches terrestres connues à l’heure actuelle sont des gneiss (roches issues de la transformation d’un granite) trouvés au cœur du bouclier continental canadien : les gneiss d’Acasta vieux de 4,02 milliards d’années. Nous savons cependant que des proto-continents se formaient déjà bien avant, puisque nous retrouvons des grains de zircon isolés, vieux de 4,3 milliards d’années, qui sont tout ce qui reste des roches continentales les plus anciennes détruites par les processus d’altération - processus auxquels ce minéral est plus résistant que les autres.

L’étude de ces zircons et la détermination des conditions dans lesquelles ils ont cristallisé est l’une de nos sources d’information sur les premiers continents terrestres. Une nouvelle source d’information s’ouvre à nous avec la découverte de fragments de granites martiens datant de la même époque et même plus anciens. En effet, les modèles physiques indiquent que Mars et la Terre présentaient vraisemblablement des conditions climatiques très proches et que les processus géologiques qui s’y déroulaient étaient similaires. Il est donc permis de penser que les processus à l’origine des premiers continents terrestres sont similaires à ceux qui ont formé les premiers granites martiens, ce que confirme certaines parentés de composition isotopique entre les zircons terrestres reliques et les grains de quartz que l’on trouve dans Black Beauty.

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  Une méthode de datation absolue qui se fonde sur la quantité d'un radioisotope dans un corps précis.

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  On considère que la formation des planètes débute en même temps que celle des premiers objets solides du Système solaire (les inclusions réfractaires) il y a 4,57 milliards d’années et que la construction de la Terre s’achève avec le dernier impact majeur : celui qui engendre la Lune un événement plus tardif de quelques dizaines millions d’années et jusqu’à deux centaines selon les estimations les plus récentes.

Pourquoi les météorites sont-elles précieuses pour mieux comprendre l’histoire des planètes du Système solaire ?

Les météorites sont des fragments de corps planétaires du Système solaire arrachés à la suite d’impacts. Une petite fraction d’entre-elles sont issues de la planète Mars ou de la Lune. Mais, dans leur grande majorité, les météorites sont les fragments de plus petits corps : les astéroïdes. Nous savons aujourd’hui que des centaines de millions d’objets de dimensions variables orbitent autour du Soleil dans une zone que l’on appelle la ceinture principale des astéroïdes, et qui est située entre l’orbite de Mars et celle de Jupiter. Ces astéroïdes sont les reliquats des premiers instants de la formation des planètes il y a 4,57 milliards d’années par l’agrégation progressive des poussières présentes dans le disque protoplanétaire4.

Les astéroïdes formés très tôt ont emmagasiné les éléments les plus radioactifs présents dans le disque avant que ceux-ci n’aient eu le temps de se désintégrer. La désintégration survenant au cœur même de leur matière a libéré de la chaleur et induit leur fusion, engendrant des liquides immiscibles de densités différentes : schématiquement, un liquide métallique dense issu des grains de métal contenus dans les roches de départ et un liquide silicaté moins dense issu de la fusion des minéraux silicatés. Ces deux liquides immiscibles se sont alors séparés, le liquide métallique coulant vers le centre de l’astéroïde, tandis que le liquide silicaté migrait vers la surface – de la même manière qu’un mélange d’huile et de vinaigre se sépare. C’est ce qu’on appelle le phénomène de différenciation, un processus qui a également été à l’œuvre dans les planètes rocheuses et qui explique que la Terre ait un noyau métallique. Les météorites issues d’astéroïdes ayant connu une telle évolution et que l’on qualifie de "différenciées" peuvent provenir des différentes couches internes de ces astéroïdes, y compris de leur noyau métallique, lorsque ces astéroïdes ont été fracassés par un ou plusieurs impacts majeurs. C’est la raison pour laquelle on trouve des météorites entièrement métalliques. Les météorites différenciées sont une précieuse source d’information sur l’évolution interne des corps planétaires différenciés, en particulier de la Terre5.

À l’opposé les astéroïdes formés plus tardivement n’ont pu accumuler que les éléments radioactifs dont la désintégration est la plus lente et chaleur interne libérée n’a pas été suffisante pour induire leur fusion. Ces astéroïdes ont préservé des caractéristiques directement issues du disque protoplanétaire dans lequel ils se sont formés et les météorites qui en sont issues, les "chondrites" sont l’une de nos principales sources d’information sur la genèse du Soleil et des premiers corps planétaires. Certaines de ces chondrites ont préservé très précisément la composition chimique du disque protoplanétaire et c’est vers ce type d’objet que se sont dirigées les deux missions récentes de retour d’échantillons (la mission japonaise Hayabusa 2 et la mission américaine OSIRIS-REx). Certaines de ces chondrites préservent des grains formés au voisinage d’étoiles plus anciennes que le Soleil et piégés dans le disque protoplanétaire, et l’on y trouve aussi les tous premiers objets formés dans ce disque et dont l’étude nous a permis de dater sa formation et celle du Soleil à 4,57 milliards d’années.

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  Par l’agrégation des poussières présentes dans le disque protoplanétaire et ils ont très peu évolué depuis, leur petite taille faisant qu’ils se sont refroidis très vite contrairement à une planète comme la Terre qui a encore une géologie très active. Les astéroïdes se divisent schématiquement en deux grandes catégories : ceux dont l’agrégation a été très rapide (dans les régions plus internes du disque) et ceux dont l’agrégation a été plus tardive (à plus grande distance du Soleil.

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  "Rappelons que toutes les informations que nous pouvons avoir sur le noyau de notre planète sont nécessairement indirectes. Il est et nous restera toujours inaccessible – il faudra it être en mesure de creuser sur plusieurs milliers de kilomètres et les températures et pression qui y règnent sont incroyablement élevées. Nos princ ipales sources d’inform ation sur les grandes profondeurs de la Terre sont donc liées à l’étude des ondes sismiques, aux simulations expérimentales et aux comparaisons avec les météorites."