Earth detective

Le limier de la terre

À l'aide des plus récentes techniques d'analyse des éléments chimiques, un chercheur de l'Université Queen's met au jour quelques-uns des secrets les mieux gardés de notre mère la Terre
1 juillet 2005

Le spécialiste des sciences de la Terre, Kurt Kyser, sait comment faire parler les arbres. Il peut amener les oiseaux à lui dévoiler leurs voies de migration et leurs périodes de mue. Il est même assez rusé pour suivre à la trace les gisements minéraux souterrains.

Comment ce paisible professeur de géologie s’y prend-il pour amener des objets inanimés et des organismes vivants incapables de parler à lui révéler leurs secrets? Grâce à l’analyse isotopique.

Au laboratoire de recherche sur les isotopes de l’Université Queen’s, on trouve des installations de pointe que ne renieraient sûrement pas les inconditionnels de la populaire télésérie policière Les experts (en anglais, CSI). C’est là que Kurt Kyser, ses collègues et des étudiants de troisième cycle analysent les isotopes présents dans les carottes de sondage des arbres, les plumes des oiseaux, les roches et le sol à la recherche des secrets et des indices qu’ils pourraient révéler.

Les isotopes sont des éléments chimiques de même numéro atomique, mais de masse différente; autrement dit, ils comptent le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. Des chercheurs comme Kurt Kyser ont mis au point des méthodes de mesure des isotopes, comme s’il s’agissait d’empreintes les mettant sur la bonne piste. Toutefois, contrairement aux pathologistes judiciaires des Experts, Kurt Kyser et son équipe ne recherchent pas des criminels. Ils veulent plutôt trouver des réponses à des questions fondamentales sur les changements climatiques et l’environnement ainsi que sur l’évolution et la migration des oiseaux chanteurs. Ils recherchent aussi des substances utiles comme l’uranium, le nickel, le diamant et l’or.

« Nous utilisons les isotopes comme des traceurs des substances présentes dans le sol sur lequel nous marchons, jusqu’à une profondeur de 100 mètres », indique Kurt Kyser de son bureau de l’Université Queen’s.

D’un point de vue pratique, c’est dans l’exploration minière que les travaux du chercheur donnent leur pleine mesure. Pour découvrir des gisements de minerai cachés sous des centaines de mètres de roche et de terre, les géologues et les ingénieurs miniers recherchent les éléments qui s’échappent de ces gisements. À partir d’échantillons prélevés sur les sites de prospection et ramenés au laboratoire, Kurt Kyser et ses collègues utilisent l’analyse isotopique pour découvrir, grâce aux empreintes, l’origine du minerai ou du métal précieux qu’ils recherchent. « Ce n’est vraiment pas une tâche facile, mais avec notre nouvelle infrastructure, nous pouvons mettre au point des techniques pour y arriver », dit-il.

Les chercheurs de Queen’s prélèvent également des carottes sur les arbres à l’aide d’un appareil qui y fore un minuscule trou, sans les endommager. En analysant les éléments, les métaux et les isotopes des métaux trouvés dans ces carottes, Kurt Kyser peut repérer les concentrations élevées de métaux à proximité. Les expériences menées sur les arbres plus vieux ont permis aux chercheurs de découvrir les transformations subies par l’environnement là où les arbres avaient poussé. « Nous nous en servons maintenant pour étudier les changements environnementaux observés en Ontario ou dans tout le sud du Canada depuis les 100 à 150 dernières années, explique Kurt Kyser. Ces changements impriment leur marque dans les arbres. »

Kurt Kyser a aussi appris à déchiffrer, avec l’aide des biologistes, les indices que recèlent les plumes des oiseaux. Comme les colliers émetteurs et les bandes radio ne sont d’aucune utilité avec les oiseaux chanteurs qui ne pèsent que huit grammes, les chercheurs analysent les isotopes trouvés dans leurs plumes ou dans des gouttelettes de sang pour apprendre où les oiseaux ont passé l’hiver et où ils nidifient. Grâce à ces techniques non invasives, l’équipe a découvert les voies migratoires et les périodes de mue de la paruline flamboyante, un tout petit oiseau que l’on retrouve en Ontario et dans le nord-est des États-Unis.

« Pratiquement tout chez l’oiseau est composé d’isotopes – du carbone, de l’azote et du soufre », indique Kurt Kyser. En comparant les isotopes présents dans les plumes des oiseaux aux isotopes trouvés ailleurs dans le monde, les chercheurs ont appris que les oiseaux viennent au Canada pour nidifier avant de retourner dans les Caraïbes pour l’hiver.

Des chercheurs avaient supposé que les oiseaux muaient avant de migrer vers le sud. Kurt Kyser et son équipe ont découvert qu’un tiers des oiseaux et même plus prenaient leur premier envol plus tard et élevaient leurs petits également plus tard en saison avant de migrer et de muer en cours de route. Cette pratique peut affaiblir des générations d’oiseaux. Parce que la mue en période migratoire est stressante pour les oiseaux, ils arrivent plus tard à destination, occupent un habitat moins opportun et les jeunes ainsi élevés jusqu’à l’âge du premier envol sont moins susceptibles de nidifier et d’engendrer leur propre progéniture.

Retombées

Au laboratoire de recherche sur les isotopes de l’Université Queen’s, Kurt Kyser et ses collègues conçoivent des applications pour l’analyse isotopique au profit du traditionnel créneau canadien d’exploitation et d’exploration minière. Ils touchent également à un nouveau domaine de compétence : la régénération de l’environnement.

Le travail effectué sur les arbres a également permis aux chercheurs de documenter les changements dans le cycle global de l’azote : analyse de la fixation de l’azote sur les arbres et de l’écart entre les concentrations observées sur les jeunes arbres et celles relevées sur des arbres âgés de 20 ans.

L’intérêt de cette recherche, c’est qu’elle donne entre autres la possibilité de documenter et de démontrer les changements dans notre atmosphère et sur la Terre – preuves indispensables pour former des intervenants et faire adopter des politiques publiques. « Il y 50 ans, je ne pense pas que personne aurait pu prévoir que nous pourrions à ce point mettre notre planète en péril – en faisant abstraction des guerres. En notre qualité de spécialistes des sciences de la Terre, nous sommes mieux placés que quiconque pour bien connaître l’interrelation entre tous ces systèmes. »

Même l’analyse des isotopes que Kurt Kyser et son équipe recueillent dans les plumes de la paruline flambloyante prouve le bien-fondé des politiques de protection de l’habitat des oiseaux dans les Caraïbes et en Amérique centrale. La destruction de cet habitat nuirait à la capacité de reproduction des oiseaux et retarderait le premier envol des petits. « Si vous pouvez mettre le doigt sur les éléments qui influencent la reproduction, vous pouvez alors remédier au problème », fait valoir le chercheur.

Partenaires

Agrave; la Cameco Corporation, société établie à Saskatoon, Jim Marlatt et ses collègues scientifiques se considèrent comme des détectives pistant le prochain gros gisement d’uranium.

Il arrive souvent que la recherche ne porte ses fruits que des années plus tard. Mais notre partenariat n’est reste pas moins essentiel, indique Jim Marlatt. « Le travail de recherche est fondamental pour Cameco, plus particulièrement pour sa division de la prospection. Sans cet apport, nous ne serions pas aussi efficaces. »

Chris Oates, vice-président de la géochimie à Anglo American PLC, travaille également avec Kurt Kyser à la recherche de nickel, de cuivre et de zinc. « Je l’ai choisi parce je voulais quelqu’un à l’avant-garde de la recherche sur les isotopes, fait valoir Chris Oates. Il utilise du matériel à la fine pointe de la technologie et cela s’est traduit pour nous par de nombreuses percées. »

Avant l’analyse isotopique, les gens « utilisaient des douzaines de méthodes et de techniques différentes dans les sables bitumineux, poursuit-il, et il n’existait aucun lien scientifique entre ce qui se passait à la surface et sous la surface. »

Kurt Kyser peut établir des liens entre la matière à la surface et les minéraux sous la surface. Cela réduit les coûts de forage exploratoire pour des sociétés telles que Cameco et Anglo American.

La Cameco Corporation possède un avantage sur ses concurrents : le professeur de géologie Kurt Kyser et son équipe du laboratoire de recherche sur les isotopes de l’Université Queen’s. Ces derniers travaillent avec Jim Marlatt, directeur de la prospection mondiale à Cameco, à repérer les gisements d’uranium sur les terrains qui intéressent Cameco au Canada et à l’étranger.

« La prospection est une activité de longue haleine et très risquée. Elle repose sur la science, explique Jim Marlatt. On pourrait dire que nous sommes, en fait, des détectives utilisant les géosciences, la géochimie et la géologie pour trouver les gisements cachés. Kurt Kyser et ses associés jouent un rôle de premier plan en nous aidant à mieux comprendre la science des gisements. »

En analysant les roches que Cameco lui confie, Kurt Kyser peut dater les gisements, comprendre la nature des fluides qui y sont liés, en connaître la température et repérer les éléments traces que révèle la roche. « Toutes ces données scientifiques constituent les pièces du casse-tête que nous essayons d’assembler : repérer l’endroit où ces gisements se forment dans l’environnement », indique Jim Marlatt.

De nos jours, pour trouver un gisement inexploité de minerai au Canada, les géologues ou les prospecteurs doivent soit le découvrir par hasard, soit faire appel à la fois à la géophysique, à la géologie et à la géochimie pour localiser un site éventuel de nickel, de cuivre, d’or, d’uranium ou de diamant. « Nous avons participé à la recherche de nouvelles ressources – au Canada, mais aussi ailleurs dans le monde pour le compte de sociétés canadiennes », dit Kurt Kyser.

Parmi les avantages de l’analyse isotopique appliquée à la prospection minière, le chercheur mentionne les emplois ainsi créés, les revenus pour le Canada, les produits d’exploitation pour les sociétés canadiennes à l’étranger et le renouvellement des ressources. « Nous jouons également un rôle dans la gestion environnementale de l’extraction de ces ressources », fait-il valoir.

Par exemple, grâce aux isotopes, le chercheur peut savoir si des métaux et des produits chimiques se retrouvent dans les résidus miniers, anciens et nouveaux. Les éléments et les caractéristiques spécifiques de ces isotopes peuvent identifier la source de contamination, exercice essentiel dans le réaménagement des terrains contaminés.

Les chercheurs documentent également les répercussions des pluies acides sur la végétation. Ils démontrent la présence de soufre et de grandes quantités de métal dans les arbres. Ils ont également réussi à prouver que, depuis les années 70, période au cours de laquelle la législation en matière de contrôle de la pollution est entrée en vigueur, les arbres et autres végétaux sont en meilleure santé. « Les résultats sont encourageants. Nous voyons les concentrations en métaux chuter », indique Kurt Kyser.