L’hélium et l’âge de la Terre

Par Mark Stewart, M.Sc.

Note de la rédaction: Depuis 1935, les physiciens ont proposé de nombreuses méthodes de datation par la radioactivité pour donner un âge aux roches et, par extension, à la terre (datation au carbone 14, au potassium / argon, au plomb / thorium, au plomb / uranium, au rubidium / strontium…). Le principe est assez simple. Certains éléments naturels existent sous deux ou plusieurs formes : une forme dite normale et une ou plusieurs autres formes dites radioactives. Ces dernières ont une durée de vie limitée, car elles se désintègrent à une vitesse déterminée dans le temps (période de demi-vie). Connaissant la vitesse de désintégration d’un élément radioactif, il suffit de mesurer la quantité de l’élément radioactif restant dans un échantillon de roche ou de reste humain pour évaluer l’âge de celui-ci. Quelle crédibilité doit-on accorder aux âges obtenus par ces méthodes ? Mark Stewart nous présente ici les résultats de son étude sur l’une de ces méthodes basée sur le taux de formation et de désintégration de l’hélium radioactif.

L’hélium radioactif provient de la désintégration de l’uranium et du thorium dans la croûte terrestre. Une partie de cet hélium radioactif s’échappe et arrive en surface où il s’intègre à l’atmosphère.

Depuis plusieurs années, on a constaté que la quantité d’hélium dans l’atmosphère était de loin insuffisante pour correspondre à l’âge de la terre, vu la vitesse à laquelle l’hélium s’échappe des roches de la croûte terrestre vers l’atmosphère. On admet raisonnablement que la totalité d’hélium-4 que contient l’atmosphère est d’origine radioactive. D’après les concentrations connues des séries d’uranium et de thorium dans les roches primaires, on a conclu que tout l’hélium qui se trouve dans l’atmosphère aurait été produit sur 2 milliards d’années, à un rythme de 2 kg par cm2 de roche primaire. Ce qui représente environ 1,3 % de la roche primaire érodée qui, par conséquent, aurait pu laisser échapper son hélium dans l’atmosphère. Ce qui veut dire que le véritable âge maximal de la terre en fonction de la production d’hélium serait seulement de 1,3 % de 2 milliards d’années, soit 26 millions d’années. Ce chiffre est probablement trop élevé car il exclut la possibilité d’une quantité initiale d’hélium dans l’atmosphère et d’un taux de décroissance de la radioactivité anciennement supérieur. De plus, ce chiffre ne tient pas compte de la quantité d’hélium qui pouvait avoir migré en surface à partir du socle rocheux non dénudé.

En supposant que le phénomène de Stoney soit à l’origine de cette perte d’hélium qui aurait eu lieu, on a déduit que la température au niveau critique était d’environ 1 800 oC ou moins. Toutefois, dans 2 % des cas, elle pouvait atteindre 2 300 oC ou plus. On a affirmé et conclu que la quantité d’hélium libérée et perdue est de beaucoup supérieure à ce qui avait été supposée. Cependant, quelques théoriciens trouvent que les hautes températures mentionnées sont difficiles à accepter.

Il n’existe aucune preuve indépendante que des températures si élevées existent. Autrement dit, au lieu d’accepter la conclusion évidente que, selon la quantité d’hélium contenue dans l’atmosphère, l’âge de la terre doit être de beaucoup inférieur à ce que l’on croit en général, on déduit plutôt que les températures de l’exosphère doivent être suffisamment élevées pour permettre à l’hélium de s’échapper et ce, sans tenir compte du fait que la probabilité pour que ces exigences soient satisfaites est trop faible. Une étude a montré que l’âge de la terre évalué à partir du taux d’échappement d’hélium radioactif dans l’atmosphère se situerait entre 1 750 et 175 000 ans. Le passage d’hélium vers l’atmosphère montre que l’âge maximal de l’atmosphère est d’environ 12 000 ans.

Certains éléments radioactifs produisent des gaz lorsqu’ils se désintègrent, particulièrement l’hélium radioactif dans le cas de la désintégration de l’uranium et l’argon 40 dans le cas de la désintégration du potassium. Ces gaz migrent à travers la roche et éventuellement s’échappent dans l’atmosphère. La grande quantité d’argon que l’on trouve aujourd’hui doit avoir été présente à la surface ou dans la croûte terrestre dès le commencement, puisqu’il y en a beaucoup trop pour qu’elle ait été produite, même sur 5 milliards d’années, par la désintégration du potassium.

La faible quantité d’hélium trouvée dans l’atmosphère rend les scientifiques perplexes depuis de nombreuses années. Si l’on considère que la quantité d’uranium est estimée à 2 x 1020 g et celle de thorium à 5 x 1020 g dans la lithosphère, l’hélium devrait être produit par désintégration radioactive à un taux d’environ 3 x 109 g/an. En outre, on estime que la source d’hélium provenant des rayons cosmiques secondaires est de magnitude comparable. Apparemment, presque tout l’hélium provenant des roches sédimentaires et environ 0,8 % d’hélium produit par désintégration radioactive dans des roches ignées auraient été libérés dans l’atmosphère durant les différentes périodes géologiques (actuellement considérées être de 5 x 109 ans). Aussi, plus de 1020 g d’hélium devraient être entrés dans l’atmosphère depuis le commencement. Étant donné que l’atmosphère ne contient que 3,5 x 1015 g d’hélium radioactif, l’hypothèse courante est qu’environ 1020 g d’hélium radioactif doivent aussi avoir traversé l’exosphère, et que le taux actuel de perte par l’exosphère équilibre le taux d’émission à partir de la lithosphère.

Cette hypothèse répandue n’est cependant juste qu’une simple hypothèse. Il n’existe aucune preuve que l’hélium radioactif s’échappe de l’exosphère, ou même qu’il puisse s’en échapper en quantités considérables. Au contraire, il y a une probabilité élevée pour que l’hélium radioactif entre plutôt dans l’atmosphère à partir de l’espace et ce, à partir des couronnes solaires (vents solaires).

Par conséquent, l’âge maximal de l’atmosphère, si l’on suppose qu’il n’y avait pas d’hélium dans l’atmosphère à l’origine, serait de 3,5 x 1015 x (5 x 109) = 1,75 x 105 ou 175 000 ans.

En réalité, il existe des preuves selon lesquelles le taux d’émission de l’hélium dans l’atmosphère est de 3 x 1011 g/an, ce qui est environ 100 fois plus élevé que la valeur utilisée précédemment. En fait, cela réduirait l’âge de l’atmosphère à quelques milliers d’années.

Selon l’explication standard évolutionniste ou uniformitariste, à l’origine l’atmosphère terrestre aurait été formée par dégazage de composés volatiles à partir de la terre solide et se serait modifiée par l’échappement de gaz et de processus biologiques. Ces processus sont censés s’être produits sur une période de 4,5 à 4,6 milliards d’années. Cependant, de nombreux problèmes font surface lorsqu’on essaie de rapprocher la composition de l’atmosphère et les processus dans l’atmosphère d’aujourd’hui par des principes de base de ce modèle. Par exemple, la composition d’aucune atmosphère planétaire dans notre système solaire ne correspond au matériel primordial hypothétique qui est censé être issu de la nébuleuse originelle, même après avoir pris en considération des scénarios complexes de réchauffement, de recombinaison et de dégazage. La controverse se poursuit à savoir si, à l’origine, l’atmosphère de la terre était réductrice ou oxydante. On ne sait pas comment le dioxyde de carbone (CO2) garde son équilibre ou pourquoi il a augmenté récemment (bien que l’on connaisse quelques raisons), et l’on ne sait pas non plus avec précision pourquoi le méthane est si abondant sur la terre.

L’un des problèmes les plus intrigants que présente le modèle évolutionniste est qu’il tente d’expliquer pourquoi il n’y a pas beaucoup d’hélium dans l’atmosphère actuelle si la terre existe vraiment depuis 4,5 ou 4,6 milliards d’années.