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Zone de transition et dynamique du manteau : kimberlites, diamants, éclogites…

Dossier - Géologie : plongée dans le manteau supérieur
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Le manteau supérieur de la Terre est le théâtre de phénomènes magmatiques et de transformations rocheuses passionnants. Il est un objet d'étude privilégié pour comprendre la composition de la planète. Dans ce dossier, les scientifiques vous entraînent à bord de leurs navires, pour une plongée au cœur du manteau.

  
DossiersGéologie : plongée dans le manteau supérieur
 

Les enclaves de péridotites et d'éclogites, portées par les basaltes, donnent une bonne image minéralogique de la partie tout à fait supérieure du manteau. Les xénolithes des kimberlites,  quant à elles, apportent des informations sur des domaines plus profonds.

Diamants. © Radivoje, CCO

En 1990, Steve Haggerty et Violaine Sautter, ont observé dans des grenats de Jagersfontein (Afrique du sud), de fines aiguilles de pyroxène interprétées comme des « lamelles d'exsolution ». Une exsolution est constituée de deux phases non homogènes, issues d'une solution solide devenue instable, et présente la particularité de se séparer en deux lamelles (lamelles d'exsolution), observables au microscope. Dans cette hypothèse, grenat et pyroxène ne formaient initialement qu'une phase minérale unique et homogène. Cette dernière étant stable sous de très hautes pressions, supérieures à 13 gigapascals (GPa), soit l'équivalent de 300 à 400 km de profondeur. Cette « solution solide » constituait un grenat « majoritique » : un minéral inconnu à la surface de la Terre, mais dont l'existence avait déjà été prévue par les travaux expérimentaux de Tetsuo Irifune et Ted Ringwood, en 1987.

Ci-dessus, représentation d’une section polie d’un grenat (rose) des kimberlites de Jagersfontein. Il est constellé d’aiguilles de pyroxène (vert), exsudées par un grenat majoritique initial, au cours d’une phase de décompression. Les grands cristaux de pyroxène ont été exsudés latéralement par le grenat, comme le suggère l’absence d’aiguilles en leur voisinage. © D’après Steve Haggerty et Violaine Sautter, 1990
Ce diagramme présente la composition minéralogique du manteau, en fonction de la profondeur. La signification des abréviations est la suivante : Gt, grenat ; MjGt, grenat majoritique ; Px, pyroxène ; Mw, magnésiowüstite ; Ca-per, pérovskite calcique ; MS, manteau supérieur ; ZT, zone de transition ; MI, manteau inférieur. La flèche bleue souligne la décompression subie par un grenat majoritique, conduisant à l’exsolution du pyroxène. © DR

Des diamants dans les kimberlites

Les kimberlites sont la source des diamants. Ceux-ci sont contenus par les éclogites et les péridotites, et dispersés dans les brèches au cours des explosions. Le diamant n'est stable qu'à partir de 180 ou 200 km de profondeur, et probablement jusqu'au noyau. Remaniés par l’érosion, des diamants se trouvent dans des alluvions qui constituent des « placers ».

Ci-dessus, quelques diamants récoltés sur un prospect au Cameroun. © Gilles Chazot et Jacques Kornprobst
Ci-dessus, une inclusion de grenat dans un diamant de 2 mm de diamètre en taille réelle. © Stephen Richardson, université de Cape Town
Ci-dessus, une inclusion de clinopyroxène. © AGS Laboratories

Très résistants et très peu déformables, les diamants contiennent des inclusions qui sont protégées de l'altération et de la contamination extérieure. En les datant par les méthodes rhenium-osmium et samarium-néodyme, Steve Richardson a montré que l'association « éclogitique » (grenat + clinopyroxène) ne s'observe que dans les diamants dont l'âge est inférieur à 3 milliards d'années. En revanche, l'association « péridotitique » (olivine + grenat + clinopyroxène + orthopyroxène) peut être plus ancienne. Pourquoi cette différence ?

Eclogites et subduction : circulation en boucle dans le manteau ?

Depuis Ian Mc Gregor et William Manton en 1986, l'on sait que certaines éclogites sont caractérisées par des rapports isotopiques de l’oxygène (18O/16O) anormalement faibles, qui ne sont pas ceux habituellement mesurés dans les roches du manteau supérieur. Ces valeurs sont au contraire observables dans les roches de la croûte océaniques, qui ont subi une altération hydrothermale au voisinage des dorsales océaniques. Sur cette base, il est admis que certaines éclogites soient issues du plancher océanique : entraînés en profondeur par la subduction, des basaltes altérés auraient recristallisé à très haute pression sous la forme de l'association clinopyroxène + grenat.

Ci-dessus, une éclogite diamantifère (grenat orange, clinopyroxène vert et quartz), de Roberts Victor Mine en Afrique du sud. © Alan Woodland

Dans cette perspective, les datations de Steve Richardson prennent beaucoup d'importance. Elles signifient en effet que la subduction, élément essentiel de la dynamique des plaques lithosphériques et nécessaire pour amener en profondeur des éléments de la croûte océanique, n'aurait commencé à fonctionner que 3 milliards d'années avant notre ère. C'est à dire 1,5 milliard d'années après la naissance de notre planète.

Circulation de la croûte océanique altérée dans le manteau, où les basaltes se transforment en éclogites. Ce schéma est inspiré de Claude Allègre et Donald Turcotte. © Modifié d’après Jacques Kornprobst et Christine Laverne, QUAE éditions, 2011

Les analyses menées sur les diamants confirment l'origine superficielle de certaines éclogites. En effet, les faibles valeurs des rapports isotopiques 13C/12C de certains diamants suggèrent que ces cristaux se sont développés à partir de carbone léger, d'origine partiellement organique, et donc hérité de la surface de la Terre.