Croissance crustale et origine de la croûte terrestre à l’Archéen


 AHLeGall    13/01/2020 : 08:39

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ARTICLE DANS NATURE COMMUNICATIONS

La Terre a 4,56 milliards d’années (Connelly et al., 2017). Elle peut être divisée en deux grands ensembles, des continents émergés qui occupent environ 30% de sa surface et des océans qui complètent celle-ci. La représentation cartographique de notre planète telle qu’elle nous est familière a bien évidemment fortement évolué au cours du temps. Les continents se sont formés puis disloqués, les océans se sont ouverts puis refermés. Tous ces phénomènes sont le résultat de la tectonique des plaques. Une des grandes questions qui animent les débats scientifiques en sciences de la Terre est justement de savoir depuis quand cette tectonique des plaques est active. Une étude menée par des chercheurs du Geological Survey of Western Australia en collaboration avec Marc Poujol (Géosciences Rennes) apporte des éléments de réponse dans un article publié en décembre 2019 dans la revue NATURE Communications.


Depuis quand la tectonique des plaques est-elle active sur Terre ? Pour pouvoir répondre à cette question, il faut donc en particulier s’intéresser à ce que l’on appelle la Terre primitive, c’est-à-dire aux deux premiers milliards d’année de son existence. On parle ainsi de l’Hadéen qui représente les 560 premiers millions d’années de son histoire puis de l’Archéen qui se termine il y a 2,5 milliards d’années.

La plus vieille roche terrestre connue (environ 4,1 milliards d’années) n’a été identifiée que très récemment et dans un lieu assez inattendu, puisqu’elle a été trouvée parmi les échantillons ramenés de la Lune par la mission Apollo 14. Ce petit claste de moins de 2 grammes a donc été trouvé dans un échantillon de brèche lunaire (Bellucci et al., 2019). Jusqu’alors, les seuls objets hadéens que l’on pouvait étudier étaient soit des minéraux, des zircons plus précisément (ZrSiO4) dont les plus vieux ont 4,4 milliards d’années (zircons détritiques de Jack’s Hill en Australie), ou, par exemple, un affleurement très restreint de gneiss au nord du Canada (Acasta) âgé de 4,031 milliards d’années.

Les terrains d’âges archéens (4 à 2,5 milliards d’années) sont quant à eux plus fréquents même s’ils représentent moins de 10% de la croûte terrestre actuelle. L’étude de ces terrains montrent que la composition des roches était différente de celle des roches modernes. Ainsi les termes les plus fréquents sont des orthogneiss gris souvent très déformés (70-80%), des bassins volcano-sédimentaires (ceintures de roches vertes ou greenstone belts, 10 à 20%) et des granites tardifs qui recoupent l’ensemble (10-20%). Ces gneiss gris ont globalement des compositions de granitoïdes sodiques, ce sont des tonalites, des trondhjémites et des granodiorites, le fameux trio dit des "TTG".

Les modèles de formation de la croûte continentale aujourd’hui mis en avant semblent s’accorder sur le fait que la majeure partie de la croûte continentale terrestre s’est formée à l’Archéen (voir par exemple Dhuime et al., 2012). Donc si l’on veut comprendre comment la croûte continentale terrestre s’est initialement formée, il faut comprendre comment ces TTG se sont formées.

La formation de ces TTG est aussi un sujet qui amène de vifs débats dans la communauté des géosciences. En effet, au premier ordre, lorsque l’on étudie ces TTG d’un point de vue pétrogénétique, on arrive à la conclusion qu’elles ne peuvent être produites que par la fusion partielle d’un basalte hydraté (i.e. une croûte océanique) dans le champ de stabilité du grenat, c’est-à-dire à des profondeurs supérieures à 50 km. En effet, en se basant sur les proportions relatives en certains éléments traces (en particulier via les rapports Sr/Y et La/Yb qui sont contrôlés par la présence ou l’absence de certains minéraux sensibles à la profondeur, dont le grenat), on peut avoir une idée de la profondeur à laquelle la fusion partielle s’est produite.

Les valeurs élevées de ces rapports signifient que certains TTG dits de Haute pression (HP TTG) ne pourraient s’être formés qu’à grande profondeur, profondeurs atteintes de nos jours uniquement dans les zones de limite de plaques durant une collision continentale ou dans des zones de subduction. Ceci impliquerait qu’une tectonique des plaques « moderne » existait à l’Archéen. Or, il n’y a nulle part à l’Archéen de preuve de l’existence d’un métamorphisme de haute-pression, basse température (HP-BP) caractéristique de ces zones de subduction.

De plus les similarités géochimiques entre les TTG et les adakites (roches volcaniques produites au niveau des zones de subduction actuelles) ont été utilisées par de nombreux auteurs pour argumenter que les TTG se sont formées durant la fusion de croûte océanique subductée à grande profondeur.

Dans cet article publié en décembre 2019 dans Nature Communication (Smithies et al., 2019), en se basant entre autres sur des données géochimiques dont certaines ont été acquises à l'université de Rennes 1 au laboratoire Géosciences Rennes, est proposé que les signatures géochimiques des HP TTG peuvent en fait être expliquées par la nature du matériel qui a fondu (c’est-à-dire sa source), de nature enrichie comme le manteau lithosphérique métasomatisé et que l’on n’a donc pas nécessairement besoin d’invoquer la fusion d’une croûte subductée à grande profondeur. Les TTG de moyenne pression reflèteraient donc bien la profondeur maximale de fusion de la croûte archéenne, soit une quarantaine de kilomètres, une épaisseur voisine de l’épaisseur moyenne de la croûte continentale moderne.




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Localisation des échantillons dans le SuperTerrane d'Eastern Goldfields (EGST). La Carte décrit le craton archéen Yilgarn dans le sud-ouest de l'Australie-Occidentale. La carte principale est une carte géologique simplifiée de l'EGST montrant les ceintures de roches vertes (en vert) et les roches granitiques (en rose) ainsi que les emplacements des échantillons du groupe Black Flag utilisés pour cette étude. Il est à noter que plusieurs sites correspondent à l'emplacement de carottes de forage contenant du diamant d'où ont été prélevés de nombreux échantillons de l'étude



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Photographies de sanukitoïdes issus des carottes de forage de la région de Kalgoorlie à Kambalda. a roche volcaniclastique à grain fin et relativement primitive du groupe Black Flag (BFG) ; b intrusion de sanukitoïde subvolcanique évoluée et fortement porphyrique ; c intrusion de sanukitoïde subvolcanique primitive contenant des phénocristaux de hornblende et des xénolithes de cumul de hornblende ; d, e brèche volcaniclastique comprenant des clastes ou des fragments sur des BFG porphyriques à la hornblende à grain fin à moyen dans une matrice de BFG à grain fin.






Article publié dans Nature Communications
Smithies RH, Lu Y, Johnson TE, Kirkland CL, Cassidy KF, Champion DC, Mole DR, Zibra I, Gessner K, Sapkota J, De Paoli MC, Poujol M (2019) No evidence for high-pressure melting of Earth’s crust in the Archean. Nature Communications 10(1):5559 doi:10.1038/s41467-019-13547-x



Autres références cités
Bellucci JJ, Nemchin AA, Grange M, Robinson KL, Collins G, Whitehouse MJ, Snape JF, Norman MD, Kring DA (2019) Terrestrial-like zircon in a clast from an Apollo 14 breccia. Earth and Planetary Science Letters 510, 173-185. doi: 10.1016/j.epsl.2019.01.010

Connelly JN, Bollard J, Bizzarro M (2017) Pb–Pb chronometry and the early Solar System. Geochimica et Cosmochimica Acta 201, 345-363 (doi: 10.1016/j.gca.2016.10.044)

Dhuime B, Hawkesworth CJ, Cawood PA, Storey CD (2012) A change in the geodynamics of continental growth 3 billion years ago: Science, v. 335, p. 1334– 1336




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