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Durant l’Archéen, la croûte terrestre s’enfonçait dans le manteau

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Voici quelques milliards d'années, durant l'Archéen, la base de la croûte terrestre était plus dense que le manteau qui la supporte. Elle tendait alors à couler verticalement dans l'asthénosphère, ce qui participait à son recyclage. Cette découverte basée sur des calculs thermodynamiques explique également pourquoi les plus vieilles roches du monde sont relativement pauvres en magnésium.

Une photographie d'un affleurement de roches métamorphiques à Porpoise Cove, de la ceinture supracrustale du Nuvvuagittuq (Canada). Certaines de ces roches ont un rapport Sm/Nd indiquant un âge de plus de 4,0 milliards d'années. Elles feraient donc partie, peut-être, des plus anciennes roches sur Terre. © Nasa Astrobiology Institute

Le Groenland, le Canada et le nord-ouest de l'Écosse possèdent des affleurements composés des plus vieilles roches connues au monde. De fait, elles datent au minimum de l'Archéen, ce qui signifie qu'elles ont entre 4 et 2,5 milliards d'années. Néanmoins, un détail cloche, car elles se composent majoritairement de tonalite, de trondhjemite et de granodiorite, donc de roches produites à partir de basaltes hydratés pauvres en magnésium. Le problème ? La croûte terrestre primitive, celle qui s'est formée voici des milliards d'années, était particulièrement épaisse, mais surtout riche en magnésium.

Si les roches datant de cette époque sont rares, c'est pour une bonne raison : elles ont largement été recyclées. Ce phénomène a toujours cours, mais il concerne aujourd'hui majoritairement les plaques océaniques. Pour rappel, ces structures se forment le long des dorsales et disparaissent, après avoir coulissé latéralement, au niveau des zones de subduction.

Dernièrement, des scientifiques menés par Tim Johnson de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (Allemagne) ont cherché à en savoir davantage sur les raisons qui pourraient expliquer la composition des plus vieilles roches du monde. Grâce à cela, il leur a également été possible de modéliser le recyclage de la croûte terrestre durant l'Archéen, de quoi mieux comprendre la géomorphologie actuelle de notre planète. Le moins que l'on puisse dire, d'après l'article paru dans Nature Geoscience, c'est qu'elle coulait littéralement sous son propre poids.

Vue d'artiste de la Terre de l'Archéen, alors que le Soleil était moins lumineux de 20 à 30 % par rapport à notre époque. Des gaz à effet de serre devaient probablement maintenir un climat suffisamment chaud pour éviter que toute la planète soit couverte de glace. Ces gaz auraient permis à la vie d'apparaître et de se développer à ce moment-là. © Charlie Meeks

Un recyclage de la croûte terrestre plutôt vertical

Dans un premier temps, des calculs de thermodynamique ont été réalisés avec un objectif : déterminer les assemblages minéraux qui se formaient à la base d'une croûte primitive de 45 km d'épaisseur, par ailleurs hydratée et riche en magnésium. Ce qu'il faut savoir, c'est que le manteau terrestre, qui se situe sous la croûte, était plus chaud que maintenant voici quatre milliards d'années. Un détail frappant est alors apparu. Ces assemblages devaient être plus denses que le milieu sur lequel ils reposaient, donc que la partie supérieure du manteau.

Dans un deuxième temps, un modèle géodynamique bidimensionnel a été utilisé pour déterminer les conséquences de cette découverte. Résultat : la base de la croûte terrestre, qu'elle soit hydratée ou non, était gravitationnellement instable lorsque la température du manteau était supérieure à 1.500-1.550 °C. Dans ces conditions, ses parties denses tendaient à couler verticalement (processus de delamination, en anglais), engendrant alors une remontée de matériaux mantelliques en provenance de l'asthénosphère sur leurs flans. Ce faisant, ces roches fondaient, puis participaient à la formation de la croûte primitive par l'ajout de matière sur les parties les plus anciennes. Voici donc comment se déroulait, théoriquement, le recyclage de la croûte terrestre durant l'Archéen.

Le lien avec la composition des plus vieilles roches du monde ? Nous y venons. La fonte continuelle de la croûte terrestre surépaissie a provoqué une déperdition progressive de son magnésium, qui n'a pas été compensée par les apports du magma en provenance de l'asthénosphère. Ceci expliquerait l'apparition des basaltes hydratés pauvres en magnésium requis pour voir se former de la tonalite, de la trondhjemite et de la granodiorite. Quant aux résidus denses qui se sont détachés de la croûte, ils doivent toujours se trouver dans le manteau... s'ils n'ont pas fondu depuis.