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Des roches « capsules temporelles » vieilles de 2,5 milliards d’années réécrivent l’histoire : une nouvelle étude remet en cause la théorie de l’oxydation du manteau terrestre

SciTechDaily

Une fine tranche de roches anciennes prélevées sur la crête de Gakkel, près du pôle Nord, photographiée au microscope et observée sous une lumière polarisée croisée. Largeur de champ ~ 14 mm. L'analyse des roches en coupe mince aide les géologues à identifier et à caractériser les minéraux contenus dans une roche. Les analyses révèlent des informations sur la composition minérale, la texture et l'histoire de la roche, comme la façon dont elle s'est formée et les changements ultérieurs qu'elle a subis. Les chercheurs utilisent l'identification et la composition chimique des minéraux de ces roches anciennes du manteau terrestre pour déterminer les conditions dans lesquelles ces roches ont fondu. Crédit : E. Cottrell, Smithsonian

Des scientifiques du Smithsonian mènent de nouvelles recherches sur d'anciennes roches dites « capsules temporelles », datant d'au moins 2,5 milliards d'années.

Des chercheurs du Musée national d'histoire naturelle du Smithsonian ont mené une nouvelle analyse de roches vieilles d'au moins 2,5 milliards d'années, mettant en lumière l'histoire chimique du manteau terrestre, la couche située sous la croûte terrestre. Leurs découvertes améliorent notre compréhension des premiers processus géologiques de la Terre et contribuent à un débat scientifique de longue date sur l'histoire géologique de la planète. L'étude fournit notamment la preuve que l'état d'oxydation de la majeure partie du manteau terrestre est resté stable au cours du temps géologique, ce qui remet en cause les affirmations antérieures d'autres chercheurs sur les transitions majeures.

« Cette étude nous en dit plus sur la façon dont cet endroit particulier dans lequel nous vivons est devenu ce qu'il est aujourd'hui, avec sa surface et son intérieur uniques qui ont permis à la vie et à l'eau liquide d'exister », a déclaré Elizabeth Cottrell, présidente du département des sciences minérales du musée, conservatrice de la National Rock Collection et co-auteure de l'étude. « Cela fait partie de notre histoire en tant qu'êtres humains, car nos origines remontent toutes à la formation de la Terre et à son évolution. »

L'étude, publiée dans la revue Naturecentrée sur un groupe de roches prélevées sur le fond marin et possédant des propriétés géochimiques inhabituelles. En effet, les roches présentent des signes de fusion extrême avec de très faibles niveaux d'oxydation ; l'oxydation se produit lorsqu'une atome ou une molécule perd un ou plusieurs électrons lors d'une réaction chimique. À l'aide d'analyses et de modélisations supplémentaires, les chercheurs ont utilisé les propriétés uniques de ces roches pour montrer qu'elles remontent probablement à au moins 2,5 milliards d'années, pendant l'éon archéen. De plus, les résultats montrent que le manteau terrestre a globalement conservé un état d'oxydation stable depuis la formation de ces roches, contrairement à ce que d'autres géologues avaient théorisé auparavant.

Roche ancienne extraite du fond marin

Un ancien rocher extrait du fond marin et étudié par l'équipe de recherche. Crédit : Tom Kleindinst

« Les roches anciennes que nous avons étudiées sont 10 000 fois moins oxydées que les roches du manteau terrestre modernes, et nous montrons que cela est dû au fait qu’elles ont fondu dans les profondeurs de la Terre au cours de l’Archéen, lorsque le manteau était beaucoup plus chaud qu’aujourd’hui », a déclaré Cottrell. « D’autres chercheurs ont tenté d’expliquer les niveaux d’oxydation plus élevés observés dans les roches du manteau actuel en suggérant qu’un événement ou un changement d’oxydation a eu lieu entre l’Archéen et aujourd’hui. Nos preuves suggèrent que la différence dans les niveaux d’oxydation peut simplement s’expliquer par le fait que le manteau terrestre s’est refroidi pendant des milliards d’années et n’est plus assez chaud pour produire des roches avec des niveaux d’oxydation aussi bas. »

Preuves géologiques et méthodologie d'étude

L'équipe de recherche, dont l'auteure principale de l'étude, Suzanne Birner, qui a suivi une formation prédoctorale au Musée national d'histoire naturelle et est aujourd'hui professeure adjointe au Berea College dans le Kentucky, a commencé ses recherches pour comprendre la relation entre le manteau solide de la Terre et les roches volcaniques des fonds marins modernes. Les chercheurs ont commencé par étudier un groupe de roches qui ont été draguées du fond marin au niveau de deux dorsales océaniques où les plaques tectoniques s'écartent et où le manteau remonte à la surface et produit une nouvelle croûte.

Les deux sites où les roches étudiées ont été collectées, la dorsale de Gakkel près du pôle Nord et la dorsale sud-ouest indienne entre l'Afrique et l'Antarctique, sont deux des limites de plaques tectoniques dont la propagation est la plus lente au monde. La lenteur de la propagation de ces dorsales océaniques signifie qu'elles sont relativement calmes, d'un point de vue volcanique, par rapport aux dorsales à propagation plus rapide qui sont parsemées de volcans comme la dorsale est-pacifique. Cela signifie que les roches collectées sur ces dorsales à propagation lente sont plus susceptibles d'être des échantillons du manteau lui-même.

La poupe du RV Knorr

La poupe du navire de recherche, le R/V Knorr, en mer en 2004. La structure en forme de A maintient le godet géant en métal et en chaîne qui est abaissé à plus de 10 000 pieds sous la surface de l'océan et traîné le long du fond marin pour recueillir des échantillons géologiques. Crédit : Emily Van Ark

Lorsque l'équipe a analysé les roches du manteau qu'elle avait recueillies sur ces deux crêtes, elle a découvert qu'elles avaient d'étranges propriétés chimiques en commun. Tout d'abord, les roches avaient fondu dans une mesure bien plus importante que celle qui caractérise le manteau terrestre actuel. Ensuite, les roches étaient beaucoup moins oxydées que la plupart des autres échantillons du manteau terrestre.

Pour atteindre un tel degré de fusion, les chercheurs ont estimé que les roches avaient dû fondre dans les profondeurs de la Terre à des températures très élevées. La seule période de l'histoire géologique de la Terre connue pour avoir inclus des températures aussi élevées se situe entre 2,5 et 4 milliards d'années, au cours de l'éon archéen. Par conséquent, les chercheurs ont déduit que ces roches du manteau ont pu fondre au cours de l'Archéen, lorsque l'intérieur de la planète était à 360-540 degrés Fahrenheit (200–300 degrés Celsius) il fait plus chaud qu'aujourd'hui.

Le fait d'être si extrêmement fondu aurait protégé ces roches d'une fonte supplémentaire qui aurait pu altérer leur signature chimique, leur permettant de circuler dans le manteau terrestre pendant des milliards d'années sans modifier de manière significative leur chimie.

« Ce fait ne prouve rien à lui seul », a déclaré Cottrell. « Mais il ouvre la porte à la possibilité que ces échantillons soient de véritables capsules temporelles géologiques de l'Archéen. »

Interprétation et connaissances scientifiques

Pour étudier les scénarios géochimiques susceptibles d’expliquer les faibles niveaux d’oxydation des roches recueillies à Gakkel Ridge et à Southwest Indian Ridge, l’équipe a appliqué plusieurs modèles à ses mesures. Les modèles ont révélé que les faibles niveaux d’oxydation mesurés dans leurs échantillons pourraient avoir été causés par la fonte dans des conditions de chaleur extrême dans les profondeurs de la Terre.

Ces deux éléments de preuve étayent l'interprétation selon laquelle les propriétés atypiques des roches représentent une signature chimique provenant de leur fusion dans les profondeurs de la Terre au cours de l'Archéen, lorsque le manteau pouvait produire des températures extrêmement élevées.

Certains géologues ont interprété les roches du manteau avec de faibles niveaux d'oxydation comme une preuve que le manteau terrestre archéen était moins oxydé et que, par un mécanisme quelconque, il est devenu plus oxydé au fil du temps. Les mécanismes d'oxydation proposés incluent une augmentation progressive des niveaux d'oxydation due à une perte de gaz dans l'espace, le recyclage des anciens fonds marins par subduction et la participation continue du noyau terrestre à la géochimie du manteau. Mais, à ce jour, les partisans de cette théorie ne se sont pas mis d'accord sur une explication unique.

Au lieu de cela, les nouvelles découvertes soutiennent l'idée que le niveau d'oxydation du manteau terrestre est resté largement stable pendant des milliards d'années, et que la faible oxydation observée dans certains échantillons du manteau a été créée dans des conditions géologiques que la Terre ne peut plus produire parce que son manteau s'est refroidi depuis. Ainsi, au lieu d'un mécanisme qui crée le manteau terrestre plus oxydés pendant des milliards d'années, la nouvelle étude soutient que les températures élevées de l'Archéen ont transformé certaines parties du manteau moins oxydé. Le manteau terrestre s'étant refroidi depuis l'Archéen, il ne peut plus produire de roches présentant des niveaux d'oxydation extrêmement bas. Selon Cottrell, le processus de refroidissement du manteau terrestre fournit une explication beaucoup plus simple : la Terre ne produit tout simplement plus de roches comme elle le faisait auparavant.

Cottrell et ses collaborateurs cherchent maintenant à mieux comprendre les processus géochimiques qui ont façonné les roches du manteau archéen de la dorsale de Gakkel et de la dorsale sud-ouest indienne en simulant en laboratoire les pressions et températures extrêmement élevées observées à l’Archéen.

Outre Birner et Cottrell, Fred Davis de l’Université du Minnesota Duluth et Jessica Warren de l’Université du Delaware étaient co-auteurs de l’étude.

La recherche a été soutenue par le Smithsonian et la National Science Foundation.

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