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De vieilles laves canadiennes témoins de la jeunesse de la Terre

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Un groupe de géochimistes pense avoir découvert au Canada des roches ignées provenant d'un réservoir mantélique qui serait resté inchangé depuis le très jeune âge de la Terre, lorsqu'elle n'avait que quelques dizaines de millions d'années.

La côte de l'île de Baffin dans l'Arctique canadien. Des reliques de la naissance de la Terre, âgées d'environ 4,5 milliards d'années, sont apparus dans les roches ignées trouvées au large des côtes balayées par le vent à l'est de l'île de Baffin. Crédit : Don Francis, Université McGill

La tectonique des plaques et les mouvements de convection à l'intérieur de la Terre rendent très difficile la conservation d'archives géologiques datant de la période de l'Hadéen, lorsque la Terre subissait encore d'intenses bombardements météoritiques. Il semblerait toutefois que des roches datées d'environ 4,28 milliards d'années aient bel et bien été retrouvées dans baie de Hudson, au niveau de la ceinture verte du Nuvvuagittuq.

Les laves qui viennent d'être trouvées sur l'île de Baffin et la côte ouest du Groenland ne sont pas aussi vieilles. Mais selon un groupe de chercheurs, dont Richard Carlson de l'Institut Carnegie, elles proviendraient d'un réservoir mantélique formé dans le manteau terrestre il y a 4,55 à 4,45 milliards d'années, comme ils l'expliquent dans un article de Nature.

Le message de l'hélium

Pour parvenir à cette conclusion, les chercheurs ont fait appel à la puissance de la géochimie isotopique et en particulier à l'un des isotopes de l'hélium, connu pour être une clé de l'histoire de la Terre, l'hélium 3. Les géochimistes se sont plus particulièrement intéressés au rapport 3He/4He dans les roches ignées datées du cénozoïque, c'est-à-dire plus jeunes que celles datant de la disparition des dinosaures, il y a 65 millions d'années.

Les laves collectées sur l'île de Baffin et la côte ouest du Groenland sur lesquelles on a mesuré ce rapport proviennent d'une grande profondeur à l'intérieur de la Terre. Elles correspondent en effet aux premières manifestations du point chaud de l'Islande, à l'origine des spectaculaires images des éruptions de l'Eyjafjöll. Rappelons qu'un point chaud est parfois issu de la remonté d'un panache de matière chaude existant dans le manteau inférieur, juste au-dessus du noyau de la Terre. Sous l'effet de la décompression, cette matière fond en partie à l'approche de la surface pour donner du magma.

Un rapport élevé en 3He/4He indiquerait que le magma dont sont issues ces laves est très proche de celui ayant la composition initiale du manteau de la Terre, avant que celui-ci ne subisse un dégazage libérant ces gaz rares qui, légers, ont majoritairement quitté la planète.

Formé par l'accrétion de matériaux météoritiques d'origine principalement chondritique, le manteau a vu sa composition évoluer au cours du temps. Sa partie supérieure est riche en éléments radioactifs et leur désintégration a contribué à maintenir une certaine quantité d'hélium 4 mais pas d'hélium 3.

Selon certains géologues, ce rapport ne serait aujourd'hui élevé que dans des zones très profondes du manteau inférieur restées inchangées. Cela expliquerait bien les observations réalisées dans les laves des points chauds formant des îles comme l'Islande ou Hawaï.

Dans le cas des roches examinées par les chercheurs, des rapports isotopiques des isotopes du plomb ainsi que ceux du néodyme, plus précisément 143Nd/144Nd, sont consistants avec une source mantélique âgée de 4,55 à 4,45 milliards d'années. Cela ferait donc bien de ces laves des fenêtres sur l'histoire très primitive de la Terre.

Une remise en cause de l'histoire précoce de la Terre

Ainsi de nombreux chercheurs pensaient que la composition chimique du manteau était initialement semblable à celle des météorites appelées chondrites. L'extraction des éléments légers aurait formé ensuite la croûte continentale. Cette formation des continents aurait modifié la chimie du manteau, amenant un appauvrissement en certains éléments dit incompatibles.

Rappelons que lorsqu'un magma cristallise partiellement, la composition chimique des cristaux et celle du magma résiduel ne sont pas identiques. En particulier, certains éléments comme le fer ont tendance à se concentrer dans le magma et à se raréfier dans le solide. On parle d'éléments incompatibles. De ce fait, une partie importante de certains éléments initialement répartis de manière homogène dans la Terre ont migré lors de sa différentiation.

« Nos résultats mettent en question cette hypothèse, affirme Carlson.  Ils suggèrent qu'avant l'extraction des continents, le manteau était déjà appauvri en éléments incompatibles par rapport aux chondrites, peut-être en raison d'une différenciation de la Terre précoce, ou peut-être parce que la Terre a été formée de blocs de constructions appauvris en ces éléments. »

Sur les deux possibilités, Carlson favorise la différenciation précoce, ce qui impliquerait un océan de magma mondial sur la Terre nouvellement formée. Cette masse superficielle de magma aurait produit une croûte qui existait avant la croûte actuelle. « Dans notre modèle, une croûte primitive a été formée par la solidification de l'océan de magma. Instable à la surface de la Terre parce qu'elle était riche en fer, elle a fini par couler, emportant des éléments incompatibles avec elle jusqu'à la base du manteau, où certains vestiges demeureraient aujourd'hui. »

Or, les études sismologiques du manteau profond révèlent certaines zones, l'une sous le Pacifique Sud et une autre sous l'Afrique, qui semblent être fondues et, éventuellement, chimiquement différentes du reste du manteau. « Je nourris l'espoir que ces zones identifiées et localisées grâce aux ondes sismiques pourraient être les vestiges du manteau primitif contenant les éléments incompatibles précédents » ajoute Carlson.

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