Pendant des milliards d’années, les continents de la Terre sont restés remarquablement stables, constituant le fondement des montagnes, des écosystèmes et des civilisations. Mais le secret de leur stabilité mystifie les scientifiques depuis plus d’un siècle. Aujourd’hui, une nouvelle étude menée par des chercheurs de Penn State et de l’Université de Columbia fournit la preuve la plus claire à ce jour de la façon dont les reliefs sont devenus et sont restés si stables – et l’ingrédient clé est la chaleur.
Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Géosciences naturellesles chercheurs ont démontré que la formation d'une croûte continentale stable, qui dure des milliards d'années, nécessitait des températures supérieures à 900 degrés Celsius dans la croûte continentale inférieure de la planète. Des températures aussi élevées, disaient-ils, étaient essentielles à la redistribution des éléments radioactifs comme l’uranium et le thorium. Les éléments génèrent de la chaleur à mesure qu'ils se désintègrent, de sorte qu'en se déplaçant du bas vers le haut de la croûte, ils transportent de la chaleur avec eux et permettent à la croûte profonde de se refroidir et de se renforcer.
Selon les chercheurs, les implications de cette découverte vont au-delà de la géologie, et ouvrent la voie à des applications modernes telles que l'exploration de minéraux critiques, essentiels aux technologies modernes telles que les smartphones, les véhicules électriques et les systèmes d'énergie renouvelable, et la recherche de planètes habitables.
Les processus qui ont stabilisé la croûte terrestre ont également mobilisé des éléments de terres rares – le lithium, l'étain et le tungstène – fournissant de nouveaux indices sur l'endroit où les trouver. Les mêmes processus qui ont favorisé la stabilité de la croûte continentale sont susceptibles de se produire sur d'autres planètes semblables à la Terre, ont indiqué les chercheurs, offrant ainsi aux planétologues de nouveaux signes pour rechercher la vie sur d'autres mondes.
« Les continents stables sont une condition préalable à l'habitabilité, mais pour qu'ils obtiennent cette stabilité, ils doivent se refroidir », a déclaré Andrew Smye, professeur agrégé de géosciences à Penn State et auteur principal de l'article. « Pour se refroidir, ils doivent déplacer tous ces éléments producteurs de chaleur – l'uranium, le thorium et le potassium – vers la surface, car si ces éléments restent en profondeur, ils créent de la chaleur et font fondre la croûte. »
La croûte continentale telle que nous la connaissons est apparue sur Terre il y a environ 3 milliards d'années, a-t-il déclaré. Avant cette époque, la composition de la croûte était nettement différente de celle de la croûte moderne, riche en silicium. Les scientifiques pensent depuis longtemps que la fonte de la croûte préexistante est un ingrédient important de la recette qui produit les plaques continentales stables qui soutiennent la vie. Cependant, avant cette étude, on ne reconnaissait pas que la croûte devait atteindre des températures extrêmes pour devenir stable.
« En gros, nous avons trouvé une nouvelle recette pour créer des continents : ils doivent devenir beaucoup plus chauds qu'on ne le pensait auparavant, environ 200 degrés de plus », a déclaré Smye.
Pensez à forger de l'acier, dit-il.
« Le métal est chauffé jusqu'à ce qu'il devienne juste assez mou pour pouvoir être façonné mécaniquement par des coups de marteau », a expliqué Smye. « Ce processus de déformation du métal sous des températures extrêmes réaligne la structure du métal et élimine les impuretés, deux éléments qui renforcent le métal, aboutissant à la ténacité du matériau qui définit l'acier forgé. De la même manière, les forces tectoniques appliquées lors de la création des ceintures de montagnes forgent les continents. Nous avons montré que ce forgeage de la croûte nécessite un four capable de supporter des températures ultra-élevées. »
Pour tirer leurs conclusions, l'équipe a échantillonné des roches des Alpes d'Europe et du sud-ouest des États-Unis, et a examiné les données publiées dans la littérature scientifique. Ils ont analysé les données chimiques des roches entières provenant de centaines d'échantillons de roches métasédimentaires et métaignées (les types de roches qui constituent une grande partie de la croûte inférieure), puis ont classé les échantillons en fonction de leurs températures métamorphiques maximales, lorsque les roches subissent des changements physiques et chimiques tout en restant pour la plupart solides.
Les chercheurs ont fait la distinction entre les conditions à haute température (HT) et à ultra haute température (UHT). Smye et son co-auteur, Peter Kelemen, professeur de sciences de la Terre et de l'environnement à l'Université de Columbia, ont remarqué une cohérence frappante dans la composition des roches qui ont fondu à des températures supérieures à 900°C : elles avaient des concentrations d'uranium et de thorium nettement inférieures à celles des roches qui avaient fondu à des températures plus basses.
« Il est rare de voir un signal cohérent dans des roches provenant d'autant d'endroits différents », a-t-il déclaré. « C'est l'un de ces moments eurêka où l'on pense que 'la nature essaie de nous dire quelque chose ici.' »
Il a expliqué que la fonte de la plupart des types de roches se produit lorsque la température dépasse 650 °C, soit un peu plus de six fois la température de l'eau bouillante. En général, plus on s'enfonce dans la croûte, plus la température augmente d'environ 20 °C pour chaque kilomètre de profondeur. Étant donné que la base de la plupart des plaques continentales stables a une épaisseur d’environ 30 à 40 kilomètres, des températures de 900 °C ne sont pas typiques et ont obligé à repenser la structure des températures.
Smye a expliqué qu'au début de l'histoire de la Terre, la quantité de chaleur produite par les éléments radioactifs qui composent la croûte (uranium, thorium et potassium) était environ le double de ce qu'elle est aujourd'hui.
« Il y avait plus de chaleur disponible dans le système », a-t-il déclaré. « Aujourd'hui, nous ne nous attendrions pas à produire autant de croûte stable car il y a moins de chaleur disponible pour la forger. »
Il a ajouté que comprendre comment ces réactions à très haute température peuvent mobiliser des éléments de la croûte terrestre a des implications plus larges pour comprendre la distribution et la concentration des minéraux critiques, un groupe de métaux très recherchés qui se sont révélés difficiles à exploiter et à localiser. Si les scientifiques pouvaient comprendre les réactions qui ont d’abord redistribué les éléments précieux, ils pourraient théoriquement mieux localiser de nouveaux gisements de matériaux aujourd’hui.
« Si vous déstabilisez les minéraux qui contiennent de l'uranium, du thorium et du potassium, vous libérez également beaucoup d'éléments de terres rares », a-t-il déclaré.
